文章目录
- 1 C文件接口
- 1.1 `fopen`
- 1.2 `fwrite`、`fread`、`rewind`、`fclose`
- 2 文件系统调用
- 2.1 `open`
- 2.1.1 参数2:`flags`
- 2.1.2 参数3:`mode`
- 2.1.3 返回值——`file descriptor`
- 2.2 write
- 2.3 read
- 2.4 close
- 3 文件的本质
- 3.1 `struct file`
- 3.2 一个进程如何与多个文件相关联?
- 4 重定向
- 4.1 文件描述符对应的分配规则?
- 4.2 `dup2`
- 4.3 重定向`stdout`和`stderr`
- 5 缓冲区
- 6 硬盘(固态硬盘(SSD)/机械硬盘(磁盘))
- 6.1 磁盘
- 6.2 对磁盘的抽象
- 7 如何理解目录
- 8 软硬链接
- 8.1 建立软连接
- 8.2 建立硬链接
- 9 动/静态库
- 9.1 静态库
- 9.2 动态库
- 9.2.1 如何让可执行程序找到动态库
- 9.2.2 动态库时怎么被加载的
- 9.2.2 动态库时怎么被加载的
1 C文件接口
1.1 fopen
fopen
新建的文件,如果是相对路径,在进程的工作路径下创建-w
:清空写入a
:追加
1.2 fwrite
、fread
、rewind
、fclose
1 #include <stdio.h>2 #include <string.h>3 #include <stdlib.h>4 int main() {5 FILE* f = fopen("bite.txt", "w+");6 const char* msg = "linux so easy\n";7 fwrite(msg, strlen(msg), 1, f);8 9 rewind(f); //重置偏移量!!! 10 char buffer[strlen(msg)];11 fread(buffer, 1, strlen(msg), f);12 printf("%s\n", buffer);13 fclose(f);14 }
2 文件系统调用
2.1 open
//头文件:
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int open(const char* pathname, int flags);
int open(const char* pathname, int flags, mode_t mode);
2.1.1 参数2:flags
O_RDONLY
:只读0_WRONLY
: 只写O_CREAT
:如果文件不存在,则创建文件到path路径下0_TRUNC
:打开的时候先清空(truncate)O_APPEND
:在追加模式下打开,写入时在已有内容后追加
2.1.2 参数3:mode
umask
:权限掩码:权限 & ~umask
—> 最终权限(八进制, eg.0xxx
)
umask
系统调用改变umask
:
- 头文件:
<sys/types.h> <sys/stat.h>
- ``mode_t umask(mode_t mask);`
- 只改变当前进程的
umask
,不改变系统的, 进程里用自己进程的umask
2.1.3 返回值——file descriptor
- 实质为一个数组下标(详细看3.2小节)
当调用write
时,将fd
传递给进程,进程根据files
指针找到文件描述符表,然后由对应下标(fd
)找到打开的文件file
- 而C语言打开文件返回的
FILE
是C语言自己封装的结构体,里面一定含由文件描述符
cout << stdin->_fileno << endl; //0
cout << stdout->_fileno << endl; //1
cout << stderr->_fileno << endl; //2
2.2 write
#include <unistd.h>ssize_t write(int fd, const void* buf, size_t count);
- 参数1:文件描述符
- 参数2:写入内容
- 参数3:写入内容的长度
strlen(messsage)
2.3 read
#include <unistd.h>ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
- 返回值
- 大于0:返回读取的字节数
- 0:写端关闭情况
- -1:读取错误
2.4 close
3 文件的本质
3.1 struct file
操作系统维护一个被打开文件的信息:struct file
, 包含:
- 在磁盘的什么位置
- 基本属性:权限,大小,读写位置,谁打开的
- 文件的内核缓冲区信息
struct file* next
指针,将不同文件链接起来
3.2 一个进程如何与多个文件相关联?
task_struct
中含有一个stuct files_struct *files
记录自己打开文件的信息,stuct files_struct *file
里包含一个struct file *fd_array[]
指针数组,存放文件指针(所以open时,会选择一个空的fd_array
位置的下标返回)struct file *fd_array[]
文件描述符表,数组加标0、1、2分别指向三个默认打开的文件:stdin(键盘文件)
、stdout(显示器文件)
、stderr(显示器文件)
1 #include <stdio.h>2 #include <unistd.h>3 #include <string.h>4 #include <sys/types.h>5 #include <sys/stat.h>6 #include <fcntl.h>7 8 int main() {9 const char* msg = "hello\n";10 write(1, msg, strlen(msg)); //想显示器写入11 12 char buffer[1024];13 ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer)); //向键盘读数据14 buffer[s] = '\0'; 15 printf("echo : %s\n", buffer);16 return 0;17 }
4 重定向
4.1 文件描述符对应的分配规则?
从0下标开始,寻找最小没有使用的数组位置
int main() {close(1);int fd = open(filename, O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, 0666);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}const char *msg = "hello\n";for (int i = 0; i < 5; i++) {//因为关闭了1,open文件之后占用1这个位置,写入从显示器重定向到了文件中write(1, msg, strlen(msg)); }close(fd);
}
4.2 dup2
#include <unistd.h>int dup2(int oldfd, int newfd) //makes newfd be the copy of oldfd
重定向:将文件描述符对应下标的指针拷贝到要重定向的文件的位值的指针
fd_array[oldfd]
拷贝到fd_array[newfd]
, 拷贝之后需要close(oldfd)
;
4.3 重定向stdout
和stderr
int mian() {fprintf(stdout, "normal msg");fprintf(stdout, "normal msg");fprintf(stdout, "normal msg");fprintf(stderr, "error msg");fprintf(stderr, "error msg");fprintf(stderr, "error msg");
}
//gcc test.c -o test
./test > normal.log
:normal msg重定向到normal.log, error msg打印到屏幕
将stdout
和stderr
都重定向到一个文件all.log
./test &>all.log
./test >&all.log
./test >all.log 2>&1
./test 2>all.log 1>all.log
5 缓冲区
-
C的输出接口输出到用户级缓冲区(该缓冲区不在系统中)
-
显示器的文件的刷新方案是行刷新,所以在
printf
执行完成遇到\n
就会将数据进行刷新 -
缓冲区刷新策略:
- 无缓冲——直接刷新
- 行缓冲——碰到\n刷新 —— 显示器
- 全缓冲——缓冲区满了才刷新 —— 文件写入
- 进程退出
-
fprintf/fwrite
等向用户级缓冲区中写入,当缓冲区刷新时调用write
系统调用接口(因此,C中fflush
函数一定封装了write
),write
向系统级缓冲区中写入 -
为什么要有用户级的缓冲区
- 解决效率问题
- 配合格式化
-
用户及的缓冲区在哪里?—— 存在FILE结构体中,
1 #include <stdio.h>2 #include <unistd.h>3 #include <string.h>4 5 int main() {6 const char* fstr = "hello fwrite\n";7 const char* str = "hello write\n";8 9 printf("hello printf, pid:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());10 fprintf(stdout, "hello fprintf, pid:%d, ppid:%d\n", getpid(), getppid());11 fwrite(fstr, strlen(fstr), 1, stdout);12 13 write(1, str, strlen(str));14 15 fork();16 17 }
write为系统调用接口,直接刷新,而由于重定向输出到文件,用户级缓冲区的刷新策略更改为全缓冲,fork后子进程写时拷贝 ,而缓冲区也会随着FILE结构体的拷贝而拷贝,当子进程退出后刷新缓冲区,接着父进程退出也刷新缓冲区
- FILE结构体:
在/usr/include/libio.h
struct _IO_FILE {int _flags; /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags//缓冲区相关/* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. *//* Note: Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */char* _IO_read_ptr; /* Current read pointer */char* _IO_read_end; /* End of get area. */char* _IO_read_base; /* Start of putback+get area. */char* _IO_write_base; /* Start of put area. */char* _IO_write_ptr; /* Current put pointer. */char* _IO_write_end; /* End of put area. */char* _IO_buf_base; /* Start of reserve area. */char* _IO_buf_end; /* End of reserve area. *//* The following fields are used to support backing up and undo. */char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */char *_IO_backup_base; /* Pointer to first valid character of backup area */char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */struct _IO_marker *_markers;struct _IO_FILE *_chain;int _fileno; //封装的文件描述符
#if 0int _blksize;
#elseint _flags2;
#endif_IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small. */
#define __HAVE_COLUMN /* temporary *//* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */unsigned short _cur_column;signed char _vtable_offset;char _shortbuf[1];/* char* _save_gptr; char* _save_egptr; */_IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};
6 硬盘(固态硬盘(SSD)/机械硬盘(磁盘))
- 磁盘上存储的文件 = 文件的内容 + 文件的属性
- 文件内容——数据块, 文件属性 ——
inode
- 文件在磁盘当中的存储是将属性和内容分开存储的
6.1 磁盘
定位一个扇区:面(定位该用哪个磁头) -> 磁道(柱面) -> 扇区 (CHS寻址方式)
- 时间消耗主要来自于寻道时间
6.2 对磁盘的抽象
LBA
地址:将磁盘磁头、磁道、扇区逻辑抽象成一个一维数组,通过除模运算计算出CHS
-
建立联系,
-
在Linux中,用于标识文件, 找到
inode
编号->inode table
->struct inode
->blocks[]
-> 文件内容 -
struct inode {inode number//文件类型//权限 : w/r/x//引用计数//拥有者//所属组//ACM时间int blocks[N] // }
-
inode table
: 存放inode
, 每个inode
有唯一的编号(一个文件一个inode, 一个inode可能对应多个block)ls -li
: 查看inode
编号
-
Block Bitmap
:位图,标记块是否被使用 -
inode Bitmap
:位图,标记inode
编号是否是有效的 -
Group Descriptor Table
: -
Super Block
:文件系统的基本信息,包含整个分区的基本使用情况- 一共有多少个组、每个组的大小,每个组inode的数量、每个组的block数量、每个组的其实inode、文件系统的类型和名称
7 如何理解目录
-
目录是文件:内容 + 属性,也有inode
-
目录也有数据块,存放目录下,文件的文件名和对应文件与inode的映射关系
-
因此同一目录下不能有相同文件名
-
若该目录没有
w
权限,无法创建文件:因为无法将文件名与inode写入该目录的数据块 -
若该目录没有
r
权限,无法查看该目录 -
若该目录没有
x
权限,无法进入该目录
-
-
dentry
缓存- 如何知道自己的inode?当前的目录的数据块中存放当前目录下文件名与inode的映射关系,而当前目录又被上级目录视为文件,存放该目录的inode与数据块,所以当访问一个文件的inode时需要递归到根目录再从根目录访问到当前inode
8 软硬链接
8.1 建立软连接
ln -s file.txt soft-link
- 软连接具有独立的
inode
,也有独立的数据块,它的数据块里面保存的是指向文件的路径(类似于快捷方式)
8.2 建立硬链接
ln test.txt hard-link
- 硬链接具有相同的
inode
,本质上是在当前目录下,建立新的文件名字与inode
链接(取别名/引用) - 不允许给目录建立硬链接(除非是
.
和..
),不然会造成查找路径的环路问题
9 动/静态库
- 静态库:
libXXX.a
- 动态库:
libXXX.so
9.1 静态库
- 静态库本质上时一些
.o
文件的集合 ar
是gun归档工具, 用于打包静态库,rc
表示replace and create
lib=libmymath.a$(lib):mymath.o //可能有多个.o文件ar -rc $@ $^
mymath.o:mymath.cgcc -c $^.PHONY:
clean:rm -f *.a *.o.PHONY:output
output:mkdir -p lib/includemkdir -p lib/mymathlibcp *.h lib/includecp *.a lib/mymathlib
使用库:
- 找到头文件路径 ——
-I
- 找到库的路径(否则链接时报错)——
-L
- 并且说明链接该路径下的哪一个库 ——
-l
(去掉lib
,去掉.a
,剩下的名字) ;第三方库必须指定库名称
gcc main.c -I ./lib/include/ -L ./lib/mymathlib/ -lmymath
- 查看可执行文件 所用的标准库(动态库)
ldd a.out
- 库的安装
- 拷贝到指定目录
sudo cp lib/include/math.h /usr/include/
sudo cp lib/mymathlib/libmymath.a /lib64/
- 建立软连接(不建议这么做)
9.2 动态库
- 生成
.o
文件
gcc -fPIC -c mylob.c
(-c
不知名目标文件时,生成的时同名.o
文件)
- 生成
.so
文件
gcc -shared -o libmymethod *.o
(不加-shared
生成的是可执行文件)
- 当程序运行动态库中的方法,系统会将动态库加载到内存中执行,所以
.so
文件自动带有x
可执行权限
dy-lib=libmymethod.so
static-lib=libmymath.a.PHONY:all
all: $(dy-lib) $(static-lib)$(static-lib):mymath.oar -rc $@ $^
mymath.o:mymath.cgcc -c $^$(dy-lib):mylog.o myprint.o
mylog.o:mylog.cgcc -fPIC -c $^
myprint.o:myprint.cgcc -fPIC -c $^.PHONY:clean
clean:rm -rf *.o *.a *.so mylib.PHONY:output
output:mkdir -p mylib/includemkdir -p mylib/libcp *.h mylib/includecp *.a mylib/libcp *.so mylib/lib
- 编译时于静态库相同
-fPIC
:与地址无关码
9.2.1 如何让可执行程序找到动态库
四种方法:
- 将动态库拷贝到
/lib64
下 - 建立在
/lib64
下的软连接
ln -s xxx(绝对路径) /lib64/xxx
- 添加到环境变量
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/xxx/xxxx/xx(绝对路径)
-
cd /etc/ld.so.conf.d
- 创建一个
.conf
文件 - 将动态库路径添加到该文件中
- 执行
ldconfig
9.2.2 动态库时怎么被加载的
-
动态库在系统中加载后,会被所有进程共享
-
共享库中的全局变量,既然会被共享,那么会不会冲突? 不会,因为会发生写时拷贝
-
程序在编译好之后,内部有地址,及就是虚拟地址,编译器也要考虑程序内存加载的问题
-
共享库肯能非常大,所以使用固定位置是不现实的,库可以在虚拟内存的共享区中任意位置加载, 动态库内部的函数不采用绝对编址,只需要表示每个函数在库中的偏移量即可, 通过库的起始地址 + 偏移量找到函数
- 所以编译形成动态库的链接文件(
.o
)时,需要带选项-fPIC
:(position independent code)
s xxx(绝对路径) /lib64/xxx
- 所以编译形成动态库的链接文件(
3. 添加到环境变量```bash
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/xxx/xxxx/xx(绝对路径)
-
cd /etc/ld.so.conf.d
- 创建一个
.conf
文件 - 将动态库路径添加到该文件中
- 执行
ldconfig
9.2.2 动态库时怎么被加载的
-
动态库在系统中加载后,会被所有进程共享
-
共享库中的全局变量,既然会被共享,那么会不会冲突? 不会,因为会发生写时拷贝
-
程序在编译好之后,内部有地址,及就是虚拟地址,编译器也要考虑程序内存加载的问题
-
共享库肯能非常大,所以使用固定位置是不现实的,库可以在虚拟内存的共享区中任意位置加载, 动态库内部的函数不采用绝对编址,只需要表示每个函数在库中的偏移量即可, 通过库的起始地址 + 偏移量找到函数
- 所以编译形成动态库的链接文件(
.o
)时,需要带选项-fPIC
:(position independent code)
- 所以编译形成动态库的链接文件(