嵌入式Linux系统编程 — 1.2 文件管理与错误处理

目录

1 Linux 系统如何管理文件

1.1 什么是静态文件

1.2 扇区（Sector）和块（Block）概念？

1.3 inode

1.4 进程控制块（PCB）

2 返回错误处理与 errno

2.1 errno变量介绍

2.3 perror函数介绍

3 exit、 _exit、 _Exit函数

3.1 exit函数

3.2 _exit函数

3.3 _Exit函数

3.4 示例代码

1 Linux 系统如何管理文件

当我们使用open函数打开一个文件时，操作系统内核会分配一块内存区域作为缓冲区，并将磁盘上存储的静态文件数据加载到这个内存区域中，以便进行管理和缓存。这个加载到内存中的文件数据被称为动态文件或内核缓冲区。此后，对该文件的所有读写操作都是针对内存中的动态文件进行的，而不是直接操作磁盘上的静态文件。当对动态文件进行修改后，内存中的数据与磁盘上的数据就会不同步了，数据的同步是由内核负责的，内核会在适当的时候将内存中的动态文件内容刷新回磁盘，确保磁盘上的文件与内存中的数据保持一致。

在Linux操作系统中，进程控制块（PCB）是操作系统用来存储和管理每个进程信息的核心数据结构，其中包含文件表，记录了进程打开的所有文件的文件描述符和状态信息。文件表中的每个条目都指向一个inode，inode是文件系统中的一个数据结构，包含了文件的元数据和指向文件数据块的指针。inode table是存储所有inode的表，操作系统通过它来访问和管理文件的inode。磁盘是物理存储设备，由扇区和块组成，文件数据最终存储在这些磁盘块中。

文件描述符表、文件表以及 inode 之间的关系（参考正点原子教程）

1.1 什么是静态文件

在Linux系统中，静态文件通常指的是那些在创建后内容不经常改变的文件，例如系统配置文件、编译后的程序可执行文件、库文件等。这些文件在系统运行过程中保持不变，不需要动态生成或频繁更新，因此被称为静态文件。静态文件的特点是它们在磁盘上占用固定的存储空间，并且可以通过文件路径和inode号直接访问。

1.2 扇区（Sector）和块（Block）概念？

在计算机存储设备中，扇区（Sector）和块（Block）是两个基本的概念，它们用于描述数据存储的基本单位：

扇区（Sector）：

  • 扇区是磁盘上最小的物理存储单元，所有数据都存储在扇区中。
  • 扇区的大小通常是固定的，常见的扇区大小有512字节、4KB等。
  • 每个扇区都有唯一的地址，操作系统通过扇区地址来访问磁盘上的数据。
  • 扇区是磁盘读写操作的最小单位，即使是很小的数据也需要占用一个完整的扇区。

块（Block）：

  • 块是文件系统中用于分配存储空间的基本单位，块的大小可以由文件系统决定。
  • 块的大小通常大于扇区，例如4KB、8KB、16KB等，这样可以减少文件系统中的碎片。
  • 文件系统中的块大小是可配置的，较大的块大小可以提高大文件的读写效率，但可能会浪费存储空间。
  • 块是文件系统管理数据的方式，操作系统通过块来分配和管理磁盘空间。

扇区和块之间的关系：

  • 一个块可以包含一个或多个扇区。例如，如果块的大小是4KB，而扇区大小是512字节，那么一个块将包含8个扇区。
  • 文件系统在分配存储空间时，会将文件数据存储在连续的块中，而每个块又是由连续的扇区组成的。
  • 当文件大小超过一个块的大小时，文件系统会在磁盘上分配多个块来存储文件数据。

所以由此可以知道，静态文件对应的数据都是存储在磁盘设备不同的“块”中， 那么我们在程序中调用 open 函数是如何找到对应文件的数据存储“块”的呢？

1.3 inode

inode（索引节点）和（inode 表）是什么？我们的磁盘在进行分区、格式化的时候会将其分为两个区域，一个是数据区，用于存储文件中的数据；另一个是 inode 区，用于存放 inode table（inode 表）， inode table 中存放的是一个一个的 inode（也成为 inode节点），不同的 inode 就可以表示不同的文件，每一个文件都必须对应一个 inode， inode 实质上是一个结构体，这个结构体中有很多的元素，不同的元素记录了文件了不同信息，譬如文件字节大小、文件所有者、文件对应的读/写/执行权限、文件时间戳（创建时间、更新时间等）、 文件类型、 文件数据存储的 block（块）位置等等信息， 如图所示。

inode table 与 inode（参考正点原子文档）

inode（索引节点）是什么？在Linux系统中，inode（索引节点）是一种存储文件和目录元数据的数据结构，它包含了文件的权限、所有者、大小、创建和修改时间等信息，但不包含文件的实际数据内容。每个文件和目录都有一个唯一的inode号，文件系统通过inode来管理和定位文件。目录项将文件名与inode号关联起来，而硬链接是指向相同inode的多个文件名，共享文件数据；软链接则是指向其他文件inode的文件。了解inode的概念对于管理文件权限、创建链接以及有效管理文件系统至关重要。

如何查看文件的 inode 编号？

每一个文件都有唯一的一个 inode， 每一个 inode 都有一个与之相对应的数字编号，通过这个数字编号就可以找到 inode table 中所对应的 inode。

在Linux系统中，可以使用ls命令结合-i选项来查看文件的inode编号。具体命令如下：

ls -i filename

这里，filename是你想要查看inode编号的文件名。执行这个命令后，ls会列出文件及其对应的inode编号。

如果你想查看一个目录下所有文件的inode编号，可以省略文件名，直接使用：

ls -i
ls -il

1.4 进程控制块（PCB）

在 Linux 系统中， 内核会为每个进程设置一个专门的数据结构用于管理该进程，我们把这个称为进程控制块（Process control block，缩写PCB） 。进程控制块（PCB）是操作系统中用于存储和管理进程信息的关键数据结构，它包含了进程的唯一标识符（PID）、当前状态、程序计数器、寄存器集合、调度信息、内存管理信息、文件表、I/O状态、信号处理以及上下文切换信息等，是操作系统调度进程、管理资源和处理进程切换的基础，确保了进程的正确执行和管理。

2 返回错误处理与 errno

2.1 errno变量介绍

在Linux中，错误处理通常通过返回一个错误代码来实现，而更具体的错误信息则存储在全局变量errno中。errno是一个宏，它在头文件<errno.h>中定义。当系统调用或库函数失败时，它们会设置errno为特定的错误代码。

以下是处理错误的一般步骤：

  1. 调用系统函数：执行如打开文件、读取数据等操作。

  2. 检查返回值：如果函数返回-1或其他错误指示值，表示函数执行失败。

  3. 检查errno：调用perror()、strerror()或strerror_r()函数来获取errno对应的错误描述。

  4. 错误处理：根据错误类型决定后续操作，如重试操作、记录日志、清理资源或向用户报告错误。

以下是一个简单的示例代码，演示了如何在Linux程序中使用错误处理和errno：

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

int main() {
    int fd;
    char *filename = "file.txt"; // 一个不存在的文件名

    // 尝试打开文件
    fd = open(filename, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        // 如果open失败，打印错误信息
        fprintf(stderr, "Error opening file '%s': %s\n", filename, strerror(errno));
        return 1; // 返回非零值表示出错
    }

    // 关闭文件
    close(fd);

    return 0; // 正常退出
}

在这个示例中，我们尝试打开一个名为file.txt的文件。由于这个文件不存在，open函数将失败并返回-1。然后，我们检查fd是否等于-1，如果是，我们使用strerror(errno)函数来获取与errno相关的错误消息，并打印出来。strerror函数将错误代码转换为可读的字符串。运行结果如下： 

2.2 strerror函数strerror

strerror函数用于将错误代码转换成一个人类可读的字符串。这个函数的原型如下：

char *strerror(int errnum);

其中errnum是错误代码，通常是errno宏的值，errno在发生系统调用错误时被设置。

以下是一个简单的strerror示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main() {
    // 假设我们有一个错误的errno值
    errno = EACCES; // 访问被拒绝

    // 打印错误消息
    printf("Error: %s\n", strerror(errno));

    return 0;
}

在这个示例中，我们手动设置errno为EACCES（访问被拒绝），然后使用strerror获取对应的错误消息，并打印出来。运行结果如下：

2.3 perror函数介绍

perror函数用于输出当前errno值对应的错误消息到标准错误（stderr）。这个函数的原型如下：

void perror(const char *str);

其中str是一个可选的前缀字符串，它会在错误消息之前输出，以提供上下文信息。

以下是一个简单的perror示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main() {
    FILE *fp;

    // 尝试打开一个不存在的文件
    fp = fopen("nonexistent_file.txt", "r");
    if (fp == NULL) {
        // 文件打开失败，使用perror打印错误消息
        perror("Failed to open file: ");
    } else {
        // 文件成功打开，执行其他操作
        fclose(fp);
    }

    return 0;
}

在这个示例中，我们尝试打开一个不存在的文件nonexistent_file.txt。如果文件打开失败（fp为NULL），perror将输出一个带有前缀"Failed to open file: "的错误消息。运行结果如下：

3 exit、 _exit、 _Exit函数

在 Linux 系统下， 进程正常退出除了可以使用 return 之外， 还可以使用exit、_exit和_Exit，是3个函数用于终止进程的函数，它们的行为略有不同：

3.1 exit函数

exit函数是标准C库函数，当调用时会执行一些清理操作，比如关闭所有打开的文件描述符、刷新标准I/O库的缓冲区、调用所有注册的退出处理程序等。exit的原型如下：

void exit(int status);

参数status是一个整数，通常用于表示程序的退出状态，0通常表示成功，非0表示出错。

3.2 _exit函数

_exit是POSIX标准的函数，与exit类似，但它不会执行任何清理操作，直接终止进程。这使得_exit比exit更快，因为它跳过了所有清理步骤。_exit的原型如下：

void _exit(int status);

参数status同样用于表示程序的退出状态。

3.3 _Exit函数

_Exit是_exit的一个宏定义，行为与_exit完全相同。在某些系统中，_Exit可能被定义为_exit的宏，或者两者都是系统调用。

3.4 示例代码

以下是一个简单的示例，演示了如何使用exit和_exit函数：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void cleanup(void) {
    // 这里可以执行一些清理工作
    printf("Cleanup resources...\n");
}

int main() {
    // 注册exit函数
    atexit(cleanup);

    printf("Normal exit using exit()\n");
    exit(0); // 正常退出，执行清理工作

    // 下面的代码不会被执行，因为exit已经终止了程序
    printf("This will not be printed\n");
    return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 一个示例函数，演示_exit的使用
void immediate_exit() {
    printf("Immediate exit using _exit()\n");
    _exit(1); // 立即退出，不执行任何清理工作
}

int main() {
    immediate_exit(); // 调用上面的函数

    // 下面的代码不会被执行，因为_exit已经终止了程序
    printf("This will not be printed\n");
    return 0;
}

在这个示例中，main函数中使用了exit，它在退出之前会调用所有注册的退出处理程序（例如cleanup函数）。而immediate_exit函数中使用了_exit，它将立即终止程序，不会执行任何清理工作。在实际使用中，如果你需要立即退出程序且不需要执行任何清理工作，可以使用_exit或_Exit；如果你希望在退出前执行一些清理工作，应该使用exit。第一段代码运行结果如下：

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