【Linux学习笔记】基础IO

这里写目录标题

  • 1. 系统文件I/O
    • 1.1. 接口介绍
    • 1.2. 库函数接口与系统接口的关系
  • 2. 文件描述符fd
    • 2.1. 0&1&2文件描述符
    • 2.2. 文件描述符的分配规则
    • 2.3. 重定向
    • 2.4. 重定向系统调用
    • 2.5. 进程独立性
  • 3. Linux下一切皆文件
  • 4. 缓冲区
    • 4.1. 缓冲区的理解
    • 4.2. 缓冲区的位置
  • 5. 理解文件系统
    • 5.1. 认识磁盘
    • 5.2. 文件管理
    • 5.3. 分组的管理
  • 6. 软硬连接
    • 6.1. 软链接
    • 6.2. 硬链接
  • 7. 动静态库
    • 7.1. 静态库
    • 7.2. 动态库
    • 7.3. 动静态库的加载

1. 系统文件I/O

1.1. 接口介绍

在Linux中操作文件,我们可以使用C接口操作,也可以用系统接口来进行文件访问。下面用一段代码介绍一下常见的访问文件的系统接口

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>

#define FILE_NAME "log.txt"

int main()
{
    //该进程权限掩码更改为0000
    umask(0);

    //打开一个文件fd,读写,不存在则创建,追加,权限0666
    int fd = open(FILE_NAME, O_RDWR | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    int cnt = 5;
    char outBuffer[64];
    //向文件fd追加数据                                                                                                                                                                         
    while (cnt)
    {
        //向outBuffer以特定格式写入数据 "aaaa"
        sprintf(outBuffer, "%s:%d\n", "aaaa", cnt--);
        //向打开的文件fd写入
        write(fd, outBuffer, strlen(outBuffer));
    }
    //重置指针位置
    lseek(fd, 0, SEEK_SET);
    char buffer[1024];
    ssize_t num = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (num > 0) buffer[num] = 0; // 0, '\0', NULL -> 0
    printf("%s", buffer);

    close(fd);
    return 0;
}

运行结果:img

  1. open

man手册查找open的介绍:

img

参数:

img

返回值:

img

img

  1. write

man手册查找write的介绍

img

参数:如上图所示

返回值:写入多少数据就返回多少。

  1. read

img

1.2. 库函数接口与系统接口的关系

库函数接口与系统接口的关系,可以认为是库函数接口对系统接口做了一层封装,供用户使用。如下所示:

img

2. 文件描述符fd

2.1. 0&1&2文件描述符

Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符,分别是标准输入0, 标准输出1, 标准错误2. 0,1,2对应的物理设备一般是:键盘,显示器,显示器

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>

#define FILE_NAME(number) "log.txt"#number

int main()
{
    //打印stdin的文件编号
    printf("stdin->fd: %d\n", stdin->_fileno);
    //打印stdout的文件编号
    printf("stdout->fd: %d\n", stdout->_fileno);
    //打印stderr的文件编号
    printf("stderr->fd: %d\n", stderr->_fileno);

    //打开5个文件
    int fd0 = open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd1 = open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd2 = open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd3 = open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd4 = open(FILE_NAME(5), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);

    //打印打开文件的文件描述符
    printf("fd: %d\n", fd0);
    printf("fd: %d\n", fd1);
    printf("fd: %d\n", fd2);
    printf("fd: %d\n", fd3);
    printf("fd: %d\n", fd4);

    //关闭文件
    close(fd0);
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);

    return 0;
}

运行结果:

img

一个进程可以打开很多文件,当文件被打开了,就需要被管理,管理的本质就是先描述,再组织。所以文件是这样被管理的。如下图所示:

img

2.2. 文件描述符的分配规则

img

如上图所示,默认打开的三个文件流,如果我关闭了0,那么新打开的文件就会从0开始打开。也就是说在files_struct数组当中,找到当前没有被使用的最小的一个下标,作为新的文件描述符。

2.3. 重定向

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


int main()
{
    //关闭stdout
    close(1);
    //打开1个文件
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    //打印相关文件描述符
    printf("open fd: %d\n", fd); // printf -> stdout

    //刷新缓冲区
    fflush(stdout);

    //关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

运行结果:

img

原本是在文件描述符3打开的文件,却占用了文件描述符1打开。这种类似重新定义方向的做法,称为重定向。如下图所示:

img

就是原本1的位置的file* 被 3位置的file* 直接覆盖了,使得1位置的file* 改变了方向。

2.4. 重定向系统调用

  1. 输出重定向

操作系统提供了一个系统调用,可以直接实现重定向。

img

其中我们常用就是dup2接口。对应的参数理解,你可以认为是oldfd直接覆盖了newfd,也就是oldfd重新指定了方向。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    //打开1个文件
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    //调用系统重定向,把fd重定向到stdin
    //也就是原本显示到显示器上的数据,现在写入到fd中
    dup2(fd,1);
    //打印相关文件描述符
    printf("open fd: %d\n", fd); // printf -> stdout 
                                                                                                                                                                                               
    //刷新缓冲区
    fflush(stdout);

    //关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

运行结果:

img

这种从显示器到文件的重定向叫做输出重定向。

  1. 输入重定向
#include <stdio.h>                                                                                                                                                                             
#include <string.h>    
#include <unistd.h>    
#include <sys/types.h>    
#include <sys/stat.h>    
#include <fcntl.h>    
    
    
int main()    
{    
    //只读方式打开文件    
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY);    
    //判断是否打开成功    
    if(fd < 0)    
    {    
        perror("open");    
        return 1;    
    }    
    //输入重定向,也就是说stdin直接读取到fd的内容    
    dup2(fd, 0);    
    
    char line[64];    
    //显示是否读取成功    
    while(1)    
    {    
        printf("> ");    
        if(fgets(line, sizeof(line), stdin) == NULL) break; //stdin->0    
        printf("%s", line);    
    }    
    return 0;    
} 

img

这种从标准输入到文件的重定向叫做输入重定向。

  1. 追加重定向

在输入重定向的基础上,将文件打开的模式增加追加,就可以实现追加重定向。

#include <stdio.h>    
#include <string.h>    
#include <unistd.h>    
#include <sys/types.h>    
#include <sys/stat.h>    
#include <fcntl.h>    
    
    
int main()    
{    
    umask(0);    
    //只写方式,不存在则创建,追加,打开文件    
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT |  O_APPEND, 0666);    
    //判断是否打开成功    
    if(fd < 0)    
    {    
        perror("open");    
        return 1;    
    }    
    //输出重定向,也就是说stdout直接输出到fd    
    dup2(fd, 1);                                                                                                                                                                               
    printf("hello world!\n");    
    printf("hello world!\n");    
    printf("hello world!\n");    
    printf("hello world!\n");    
    fflush(stdout);    
    return 0;    
}    

运行结果:

img

2.5. 进程独立性

子进程的重定向并不会影响父进程img

  1. 有两个进程,一个父进程,一个子进程,操作系统维护着两个task_struct结构体,如上图所示。
  2. 每个进程的PCB中都有一个struct files_struct*的指针files。它们各自指向的struct files_struct结构体中都有一个文件描述符表。
  3. 两个文件描述符表中的内容在子进程刚创建时是一样的,所以它们都指向相同的被打开的文件。
  4. 当子进程将自己文件描述符表中下标为1的文件关闭以后,并不影响父进程文件描述符表中下标为1的数组中的内容。

每个进程都会维护自己的文件描述符表,所以多个进程就会存在多个文件描述符表,但是这些表中的指针指向的被打开文件只有一套。

某个进程进行文件的打开与关闭操作时,只需要修改自己的文件描述符表就可以,不会对其他进程造成任何影响。

3. Linux下一切皆文件

在Linux下一切皆文件,怎么理解呢?先讲讲硬件,如果把硬件看作文件,又该如何理解呢?来看下图:

img

  • 每一个硬件,操作系统都会维护一个struct file类型的结构体,硬件的各种信息都在这个结构体中,并且还有对应读写函数指针(对硬件的操作主要就是读写)。
  • 每个硬件的具体读写函数的实现方式都在驱动层中,使用到相应的硬件时,操作系统会通过维护的结构体中的函数指针调用相应的读写函数。
  1. 站在操作系统的角度来看下层,无论驱动层和硬件层中有什么,在它看来都是struct file结构体,都是通过维护这个结构体来控制各种硬件。
  2. 站在操作系统的角度来看上层,无论用户层以及系统调用有什么,在它看来都是一个个进程,都是一个个的task_struct结构体,都是通过维护这个结构体来调度各个进程的。

真正的文件在操作系统中的体现也是结构体,操作系统维护的同样是被打开文件的结构体而不是文件本身。

一切皆文件是指:在操作系统中一切都是结构体。

4. 缓冲区

4.1. 缓冲区的理解

A在海南,B在黑龙江。A想把自己用过的键盘给B用,那么此时有2种方法可以实现。

  1. A自己一路奔波把键盘给到B手上
  2. A选择一家快递公司,把键盘寄给B

很显然,在现实生活中,绝大多数人都会选择2方案,选择一家快递公司进行邮寄。那么同样的,在计算机世界里,道理也是如此。

img

当你把快递放到快递站的时候,快递站并不会立马就给你寄送过去,而是等到一定的货物量,快递站才会一起寄送快递。这样A就可以在寄送快递这一段时间干自己的事,不用说专门为了给B寄送快递而浪费了自己本来的时间。同样的,计算机世界也是如此,进程给文件发送数据,CPU并不会说专门给文件去发送数据,而其他进程就不管。当进程发送数据给文件时,数据会存放到缓冲区,然后等缓冲区刷新或者缓冲区满发送。

从上面的分析可以得出结论,缓冲区的存在是为了给发送方节省时间。

既然缓冲区的存在是为了给CPU节省时间,那么它的访问速度肯定是比文件要快的多的,所以它只能是内存。所以说,缓冲区本质上就是一段内存。

4.2. 缓冲区的位置

上面讲了缓冲区是一段内存,那么这段内存是谁申请的,它是属于谁的?下面来看一段代码。

img

运行结果:

img

首先可以看到父子进程运行同一段代码,但是只有C接口的代码运行了两次,系统接口的代码只运行了一次。那么就是说缓冲区并不在操作系统内核种。

在C语言中,文件相关的接口都涉及到一个FILE*,那么我们就可以猜测缓冲区就在其中。

img

在Linux源码中,可以看到FILE这个结构体的成员,很多都是在维护缓冲区。所以我们所说的缓冲区都是用户级的缓冲区,都是在用户层面体现出来的。

5. 理解文件系统

5.1. 认识磁盘

如果大家对电脑有过了解,都会知道电脑有个硬件设备叫磁盘,今天我们就来浅浅的认识一下磁盘。

  1. 物理结构

磁盘是电脑的外设,是一个机械结构,相对于CPU而言,它是比较慢的。下图是生活中常见的磁盘。

img

img

可以看到磁盘好似一个圆柱体,其中这个圆柱体是一片一片摞起来的。

  1. 存储结构

img

  • 磁头:向磁盘中读写数据,如上图中有三个盘片,那么就有六个磁头,给它编号从0到5。
  • 柱面:从俯视图中来看,一个盘面可以看做是多个同心圆,每一个同心圆被叫做一个磁道,一叠盘片中的相同磁道所组成的圆柱就这里的柱面,从内到外给柱面编号从0到3。
  • 扇区:在俯视图中,以相同圆心角将盘片分为多个扇形,每个扇形和每个磁道相交产生的区域就被叫做扇区。一个盘面上每个磁道所包含的扇区个数是相同的,同样给每个扇区编号。

每个扇区的大小可以认为是512KB,看似扇区的面积不同,靠近圆心的较小,但是密度大,远离圆心的面积较大,但是密度较小。

这样一来,我们就可以定位任意一个扇区,然后进行读写数据。比如,0号磁头,0号柱面,0号扇区,此时,磁头就会摆动到0号柱面处,当0号磁头对应的盘面中的0号磁道里的0号扇区旋转到磁头位置时,就可以向磁盘中读写数据。

这种定位方法称为CHS定位法。

  1. 逻辑结构

上面的图是不是看起来就像一盘蚊香,假设这个蚊香是可以任意拉伸的。那么我们将这个磁盘拉伸成一条直线,然后将这条直线看成一个数组,数组中的每一个元素就是扇区。

img

此时,磁盘就被我们抽象成了上图所示的数组,并且给每一个扇区进行编号。站在操作系统的角度,操作系统访问这个数组就是在访问磁盘。

那么这个数组的下标是怎么和磁盘的CHS对应起来的呢?

img

如上图所示,可以根据给定的逻辑数组下标转换成CHS定位法,定位到磁盘上具体的某个扇区。

5.2. 文件管理

操作系统看到的磁盘就是一个数组,这个数组每个元素的大小是512K字节(一个扇区),同样我们也知道,每次向磁盘中读写数据都很耗费时间。

  • 为了提高效率,磁头每次访问磁盘的基本单位是4KB(绝大多数情况下)。
  • 即使访问磁盘的一个bit,磁头也是将包过这一个bit在内的周围4KB大小的数据加载到内存。

正因为磁头每次访问的是4KB大小的数据块,所以内存也被划分成了多个4KB大小的空间,每一个空间被叫做页框

同样的,磁盘中的文件,尤其是可执行文件,也被划分成了多个4KB大小的数据块,每一个块被叫做页帧

假设现在有一个500GB大小的磁盘,操作系统如果统一管理的话成本会很高,所以采用分治的思想来管理整个磁盘。

img

  • 将500GB的磁盘分成4个区,只需要管理好一个区,其他三个区便可以复用这套方法。
  • 再将每个区分为多个组,只需要管理好一个组,其他剩下的组便可以复用这套方法,从而管理好这个区。
  • 每个分区以及每个分组是多大要看具体情况。

这种思想有点像递归的思想,所以我们要学习到重点就是如何管理好一个组。

5.3. 分组的管理

img

每个分组中又分为这6个区域。主要了解5个区域

  1. inode Table:存放了这个分组中所有的inode(已经使用的和没有使用的),每个分组中inode的个数是确定的。
  2. inode Bitmap:inode位图,该分组中有多少个inode,这个位图就有多少个bit,并且每一个比特位都与一个inode一一对应。每使用一个inode,对应的位图就会被置1。
  3. Data blocks:保存这该分组内,所有文件的内容,该块区又被分为多个数据块。
  4. Block Bitmap:数据块位图,该分组的Data blocks中有多少个数据块,这个位图就有多少个bit,并且每一个比特位都和一个数据块一一对应。每使用一个数据块,对应的位图就会被置1。
  5. GDT描述表:记录该分组中inode和数据块的使用率等宏观属性。

最主要的是inode这个编号,实际上inode是一个结构体,一个文件的所有属性都在inode中。当创建一个文件的时候,就会在inode Table中申请一个未被使用的inode,并且将对应的位图置1.

  • 文件内容的存储

其中文件内容的存储就存放在Data blocks中,里面有着许多的数据块,并且带有相应的编号。其编号都放在Block中对应起来。

6. 软硬连接

6.1. 软链接

  • 指令:ln -s 要链接的文件名 链接文件名
  • 功能:建立软链接

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如上图所示,使用红色框中的指令建立了软连接。

  • 建立软连接后,会有新的文件产生。
  • 链接文件和被链接文件的inode不相同,表示链接文件是一个独立的新文件。

链接文件的删除可以用rm删除,也可以用unlink删除,效果是一样的。

  1. 软链接的作用

你可以把在Linux上的软链接类比Windows上的快捷方式。

在当前目录下运行,要补全路径。但是只要我们创建要运行文件的软链接,在当前目录下,只需要运行软链接便可。

img

  1. 软链接与inode无关,只与文件名有关

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所以删掉链接文件,并不会影响它本身,软链接的指向只是指向一个路径。

6.2. 硬链接

  • 指令:ln 链接文件名 被链接文件名
  • 功能:没有选项-s,建立硬链接

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inode相同,意味着它俩是一个文件,因为inode是一个文件时唯一标识,而且一个文件只有一个。所以说,硬链接创建的文件并不是一个独立的新文件,它是被链接文件的别名。

硬连接的本质:在指定路径下,新增文件名和inode编号的映射关系!!!

此时就不再是文件名和inode一一对应了,而是一个inode对应多个文件名,这是文件名都标识一个文件,只是叫法不同。

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上图中,红色框中的数字表示文件的硬连接数,也就是一个inode有几个文件名字和它映射。

  1. 硬链接的删除

rm删除即可。

img

从上图可以得知,删除了硬链接,但是与原来硬链接相同inode的文件依然存在,只是数字减少了1。那么就可以猜测硬链接与链接文件的关系应该如下图所示:

img

在在inode中有一个变量count,它在进行引用计数。

  • 每当一个文件名和这个inode建立映射关系的时候,引用计数加1。
  • 也就是硬连接数每加1,引用计数就加1。

所以在删除这个文件的时候,使用unlink只是让硬链接数和引用计数减了1。只有引用计数减到0,这个文件的inode的位图才会被清0,这个文件才会被删除。

7. 动静态库

简单了解一下动静态库。

  • 动态库:库文件,以.so为后缀(Windows中为.dll)
  • 静态库:库文件,以.a为后缀(Windows中为.lib)
  • 库的命名规则:lib库名.后缀

所以见到一个库,掐头去尾才是它的库名。使用gcc进行编译的时候,默认是采用的动态链接,如果要使用静态链接需要加上选项-static

7.1. 静态库

简单以一个小例子来了解下库是如何形成的。

库源码:

img

头文件:

img

将上诉代码接口给他人使用,并且不想暴露源码,此时我们就可以选择将它制作成库。

  1. 静态库的理解

对源码进行预处理,编译,汇编,形成以.o为后缀的目标文件,就差最后链接一步。

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img

img

其实库的原理和上面类似,只是将所有的.o为后缀的文件打包在了一起,形成了一个库,在使用的时候直接使用这个库就可以。你可以这么来理解,就是你要给某个顾客打包外卖,顾客吃这个外卖,1是需要勺子,2是需要筷子,3是需要牙签。所以我们将这个外卖所需要的餐具全都打包在一起提供给顾客。

  1. 制作静态库

制作静态库需要用到 ar -rc 库名 所有后缀为.o的文件。

  • 指令:ar -rc libname.a [所有待打包.o]
  • 作用:将所有待打包的.o文件制作成静态库。

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现在进行如下步骤:

  • 将所用到的头文件全部放在myliba/include目录下。
  • 将静态库文件放在myliba/lib目录下。

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img

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此时的静态库已经完成,就是蓝色的目录,此时已经是一个静态库了。

  1. 使用静态库

接下来我们将从使用者的角度来看下静态库该如何使用。

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如果我们要使用这个库,有两种方法。

    1. 将该静态安装在系统文件中,然后编译的时候,用相应的指令明确是系统中的哪个库即可。
    2. 在编译的时候,用相应的指令明确库的路径,指定库中的文件,然后即可使用,现在来介绍这种用法。

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选项作用
-I(大写i)指定头文件路径
-L指定库文件路径
-l(小写L)指定库(掐头去尾后的库名)

如上图所示,这样一来,一个第三方库就可以正常使用了。

img

7.2. 动态库

  1. 形成位置无关码

和制作静态库一样,将所有.o文件打包在一起,但不使用ar打包,而是使用gcc来打包。

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注意,此时是用gcc生成的.o文件,还加了一个选项-fPIC,生成位置无关码。

位置无关码是什么?简单来说就是相对位置。就好比数轴上的数字,1总是在2的旁边。如果想找到1,那么可以从0开始找,也可以直接定位到2的位置,2的旁边便是1。

  1. 形成库文件

img

使用gcc,加-shared选项,告诉gcc生成动态库而不是可执行程序,如上图中红色框中所示。

选项作用
-fPIC生成位置无关码
-shared生成动态库

img

  1. 使用动态库

使用动态库有4种方法。

  1. 将头文件和库文件安装在系统默认搜索路径中(永久)
  • 将头文件复制到/sur/include路径下,将动态库文件安装在/usr/lib64路径下.
  • 并且在编译的时候使用-l选项告诉gcc使用的动态库名称。
  1. 将库文件路径放在环境变量里

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信息都告诉gcc了,怎么编译不成功呢?

我们将头文件路径,库文件路径,库文件名告诉了gcc。

编译完成以后,和gcc就没有关系了,接下来的执行是操作系统的事情。

那么操作系统就必须得知道所使用的动态库在哪里。

所以接下来的任务就是告诉操作系统我的动态库在哪里。

在执行程序的时候,操作系统会从环境变量LD_LIBRARY_PATH中读取动态库的路径。

将自己的动态库路径放入到环境变量中,再执行刚刚生成的可执行程序,发现可以成功执行了,而且使用的是动态库中的函数接口。

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这种做法并不能永久生效,因为每次启动shell的时候,它都会从配置文件中重新加载环境变量,我们这里给LD_LIBRARY_PATH赋值只是暂时的。

  1. 将库文件路径放在配置文件中(永久)
  2. 软链接到系统默认搜索路径中(永久)

7.3. 动静态库的加载

  1. 动态库的加载

gcc在编译的时候,只是将库中的库函数生成了一个位置无关码(相对偏移量)放在了程序中,在程序执行的时候,需要操作系统先将整个库加载到内存中,然后再根据位置无关码调用这个库函数。

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  • 进程被创建以后,将对应的代码加载到内存中。
  • 进程虚拟地址空间的代码段通过页表映射到了内存中,其中就包括生成的位置无关码。
  • 操作系统将指定的动态库也加载到了内存中,由于占据内存空间,所以给它分配了地址。
  • 当进程执行到调用库函数时,操作系统根据位置无关码,在动态库基地址的基础上偏移一定量的地址找到要调用的库函数,并且调用。
  1. 静态库的加载

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  • 在gcc进行编译时,编译器将要调用的库函数复制到了程序中,形成了可执行程序。
  • 进程被创建后,操作系统将复制了库函数的可执行程序加载到内存中去执行。

静态库的加载和操作系统没有关系,它是编译器完成的,就是将库函数源码复制一份到我们对源码中。

  • 如果使用静态库,同一个库函数被使用了十次,编译器就会在对应位置复制十分,使用100次,就会复制一百次。
  • 如果使用动态库,同一个库函数被使用十次,就会有十个位置无关码,使用100次就会有100个,在执行的时候,操作系统根据偏移量在内存中仅有的一个动态库中调用相应的函数。

所以使用静态库的程序都比使用静态库的程序要大,所占用的内存多。

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