linux文件漫谈

本是古典何须时尚 2022-06-02 07:00 129阅读 0赞

在linux中一切都是文件

什么是系统API  
1.API是一些函数，由linux系统提供支持，供应用层程序使用  
2.应用层通过调用API来调用操作系统中的各个功能，比如操作系统中的fs文件系统提供了操作文件API等

linux常用文件IO接口  
open,close,write,read,lseek

文件操作的一般步骤  
1.先open打开一个文件，得到一个文件描述符，然后对文件进行读写或其他操作，最后close关闭文件.

关于文件讲解  
文件平时是存在块设备中的文件系统中，这种文件称为静态文件。  
当我们open打开一个文件时，linux内核做的操作有:  
1.内核在进程(打开文件的程序进程)中建立了一个打开文件的数据结构，记录下我们打开的这个文件。  
2.内核在内存中申请一段内存，并将静态文件的内容从块设备中读到内存中特定地址管理存放，这时候叫动态文件  
额外的：  
现在大多数的系统采用分页机制，在打开文件成功后，文件并没有加载进入内存，而是内核生成了一个文件描述符，文件描述符含有一个指向文件indoe结构的指针，在这个结构中存有文件真正的节点信息和位置。  
当读取的时候，cpu首先判定需要读取的位置是否在内存上，如果再则直接读取（没有所谓的按行读取一说，按行读取不过是找文件中的换行标而已，当读到换行符的时候返回结果），  
如果不在内存上，则通过内存管理器进行加载，实际上，无论你是读取一个字符还是一行，加载的大小是固定的，  
比如系统机制是加载1M，当你文件大于1M时也只加载1M，当不够时全部加载。对不不同系统方式不同。（当然系统如果对读文件有特殊的优化也不同）  
当你读取之后，文件是继续留在内存还是释放，这里有另一套极其复杂的机制在管理。因为在你读第一行和第二行的时间里，还有许多事情在并发的执行。

打开文件后，以后对这个文件的读写操作，都是针对内存中这一份动态文件，而并不是针对静态文件，当我们对动态文件进行读写后，  
此时内存中的动态文件和块设备中的静态文件就不同步了，当我们close关闭动态文件时，close内部内核将内存中的动态文件的内容去更新（同步）块设备中的静态文件。

为什么读写文件要这么设计？  
因为块设备本身有读写限制(读写单位为块，而不是字节)，不灵活，而内存就可以按字节为单位来操作，而且可以随机操作(内存就叫RAM random),所以就这么设计了

文件描述符  
1.其实就是handle值，其实质是一个数字，来表示动态文件，便于区分各个动态文件  
2.操作系统有一张handle\_table表来保存这些handle值  
3.文件描述符的作用域就是当前进程，出了当前进程这个文件描述符就没有意义了

操作文件的属性flag  
1.O\_APPEND 新写入的内容追加到原来内容后面  
2.O\_TRUNC 默认使用，不管原来的内容，替换掉原来的内容  
3.O\_RDONLY 只读  
4.O\_WRONLY 只写  
5.O\_RDWR 可读可写  
6.O\_CREAT 当前打开的文件并不存在，我们需要去创建它，如果文件存在，则重新重建文件，原来的内容被删除  
7.O\_EXCL 可以查看当前文件是否存在，可以和O\_CREAT结合使用，当文件不存在则创建，当文件存在则提醒  
8.O\_NONBLOCK 非阻塞  
9.O\_SYNC 无O\_SYNC时，write只是将内容写入底层缓冲区（动态文件）即可，然后底层在合适的时候会将缓冲区buf（动态文件）中的内容一次性同步到硬件设备，这样设计师为了提供硬件寿命，如果想  
直接写入硬盘中，设置为O\_SYNC  
阻塞与非阻塞只用于设备文件，而不用于普通文化

生成的文件具有什么样的权限(也就是说生成的文件是否具有只读，或者只写，或者可执行等权限)，则需要在使用O\_CREAT时，再添加第三个  
参数mode来指定要创建的文件的权限。  
mode使用4个数字来指定权限  
比如0666，则表示可读可写可执行

如果程序向提前结束  
1.在main中使用return,正常终止return 0,异常终止使用return -1  
2.正式的终止使用exit(0),\_exit(0),\_Exit（0）。

文件IO效率和标准IO  
1.文件IO就是指open,close等系统API，虽然该体系可以很好的完成文件读写，但是效率并不是很高  
2.标准IO是C语言库函数提供了一些读写文件的函数，fopen,fclose等，但其实这些函数都是封装了系统API，在应用层添加了一个缓冲  
机制，这样就有两个缓冲机制，还有一个是内核层的缓冲区。所以在使用fwrite的时候，首先先进入应用层的buf，然后标准IO库根据操作系统  
单次write的最佳count来选择好的时机来完成write到内核中的buf（动态文件）

linux系统如何管理文件  
1.硬盘中的静态文件和inode  
（1）硬盘分为一个一个扇区seat(512字节等)，一个一个扇区又组成一块block（比如64个扇区），然后又很多块block又组成块设备  
（2）文件存在扇区，一个扇区是我们访问硬件最小的单元，所以如果一个文件只有20个字节，照样独占一个扇区，不可能同时有两个文件放在同一个扇区，  
所以文件很小的情况下，很浪费硬盘(所以压缩包就可以很多个文件包含在一起，占一个扇区)，如果文件10K则需要多个扇区，所以要有一个记录(一张表)哪个扇区属于哪个文件，  
（3）一块硬盘可以分为2大区域:  
a.硬盘内容管理表项  
b.真正存储内容的区域  
所以操作系统访问硬盘时，先去读取硬盘内容管理表，从中找到我们要访问的那个文件的扇区级别的信息，然后再利用这个信息去查询真正存储内容的区域，最后得到我们要的文件  
（4）硬盘内容管理表中以文件为单位记录各个文件的信息，每一个文件又一个信息列表(inode,其实就是一个就结构体，记录文件名，文件在硬盘上的扇区号，块号等)  
每一个文件都有一个inode,每一个inode都对应一个数字编号和一个结构体，该结构体记录了各种信息。  
平时的实践：  
快速格式化：就删除了硬盘内容管理表inode，而不删除真正存储的数据，所以还是可以恢复的  
底层格式化：全删除，基本恢复就没戏了  
2.内存中的打开的文件和vnode  
(1)在程序中打开的文件就属于某个进程，每个进程都会有一个数据结构来记录这个进程所有信息(进程信息表\_Eprocess结构体)，表中有指针会指向一个文件管理表  
文件管理表中记录了当前进程打开的所有文件及相关信息，文件管理表中用来索引各个打开的文件index其实就是文件描述符fd,所以反过来只要比知道文件描述符fd  
就可以对文件进行各种操作。  
3.文件与流的概念  
流(stream),其实就是文件被读出写入时都只能一个字节一个字节的进行，而不能一次性写入，所以N个字符有序的读出/或者写入就形成流

lseek函数详解off\_t lseek(int fd,off\_t offset,int whence(参照物，从什么时候开始移动，包含有seek\_set,seek\_cur,seek\_end,默认为seek\_cur))  
（1）动态文件在内存中的形态是以文件流的形式，我们会通过文件指针(光标)来表征正在操作的位置，这个指针也被记录在文件管理表这个结构体中，这个指针不能  
被直接访问，linux系统用lseek函数来访问这个文件指针。其实一般我们在nodepa++来点击鼠标然后移动光标，其实就是调用lseek操作。  
（2)假设我们从空文件中先write12个字节，然后再read的时候，会读到空，这是因为write以后，文件指针已经到了末尾，就读不出数据了

使用lseek计算文件长度  
在linux中并没有一个函数可以直接返回文件的长度，所以可以直接使用filesize = lseek(fd,0,send\_end)就可以了，一般也这么做

用lseek构建空洞文件  
1.空洞文件就是这个文件中有一段是空的(不是空格，是真的没有)  
2.普通文件中间不能有空的，因为write中的文件指针一次从前到后移动，不能跳着写。  
3.所以我们可以用lseek跳过一段以后再写，比如跳过10字节，然后在写4字节，则会有10字节的空洞，但文件大小还是14字节  
4.空洞文件有什么用？  
可以在多线程中共同操作文件，比如我们创建一个很大的文件，如果从头开始依次构建就很慢，所以可以分为多段然后多线程并行写，注意这个多段写入的是动态文件，  
然后当达到最佳count的时候就会写入到块设备，这样还没有写进来的部分就是空洞了。  
这样的例子也可以在当我们下载电影的时候，文件的下载都是一段一段乱序的。

多次打开同一个文件与O\_APPEND  
1.同一进程多次打开同一文件，分别获得文件描述符fd1,fd2，然后再依次执行读操作，则结果为：  
fd1和fd2分别读，说明fd1和fd2所对应的文件指针是不同的文件指针，不同的vnode,所以信息都是独立的  
2.同一进程多次打开同一个文件并分别写，由上面例子的现象可知，后面写的数据会覆盖掉前面的写的数据，因为文件指针不同。  
3.以上都是分别写，那如果想要接续写则需要加0\_APPEND

为什么O\_APPEND可以实现接续写，关键是文件指针，O\_APPEND标志可以让write,read函数内部多做一件事情，就是移动自己指针同时会去把别的文件指针  
同时移动。

文件共享的实现方式  
就是同时可以多个程序或者线程进行读写  
1.文件共享的核心是怎么弄出来多个文件描述符指向同一个文件  
2.常见的有3种情况文件共享  
（1）同一个进程多次open打开同一个文件，文件指针可以关联  
（2）在不同进程中分别使用open打开同一个文件(这时候因为fd在不同的进程中，所以两个fd值可以相同也可以不同)，文件指针不可以关联  
（3）linux系统提供了dup和dup2两个API来让进程复制文件描述符，只有一个文件指针，就没有办法实现分别写，只能接续写  
其实最关键的还是文件指针是否独立  
E\_Process -> 文件描述符表\[fd\] -> 文件表(包含文件状态标志，当前文件偏移量，V节点指针，其实就是vnode) ->v节点(I节点信息，当前信息长度)

文件描述符  
fd从0开始一次增加  
在linux0.11版本中fd最大是20，所以一个进程最多允许打开20个文件  
fd中0,1,2已经被系统默认占用了，因此用户进程得到最小的fd值是3，也说明了打开一个进程默认打开了3个文件  
这三个文件分别为stdin（标准输入）,stdout（标准输出）,stderr（标准错误）  
标准输入一般对应的是键盘，所以0对应的是键盘的设备文件  
标准输出一般是LCD显示器，所以1对应LCD的设备文件，printf函数其实也就是默认输出到标准输出stdout上了  
操作系统怎么实现原子操作（一旦执行就不能停，必须执行完）

复制文件描述符dup,dup2  
常见的linux操作就是使用> 2.txt符号将输出放入2.txt,其实内部操作就是open+close+dup,opne 2.txt,然后close(1)关闭stdout,然后dup将  
1和2.txt文件关联起来

fcntl函数  
是一个多功能文件管理的工具箱，接受2个参数（fd,cmd）和1个变参

常用cmd  
F\_DUPFD 用来复制文件描述符，作用和dup差不多