Linux 基础IO

一. 系统调用接口

• fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数（libc）。
• open close read write lseek 都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口。

根据这张图, 系统调用接口和库函数的关系, 一目了然。

二. 文件描述符

• 文件描述符fd就是一个整数。
• 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。

文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files,
指向一张表files_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针。所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件。

三. Linux中的IO接口

3.1 open函数

int open(const char *pathname, int flags);

• 功能：打开或创建文件。

• 参数：
  pathname：要打开或创建的文件名。
  flags：指定文件如何被打开（读取、写入、追加等），可以使用OR运算符组合多个标志。

• 返回值：成功时返回非负整数作为文件描述符，失败则返回-1，并设置errno。

3.2 close函数

int close(int fd);

• 功能：关闭一个打开的文件描述符。
• 参数：
  fd：要关闭的文件描述符。
• 返回值：成功时返回0，失败则返回-1，并设置errno。

3.3 read函数

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

• 功能：从文件描述符读取数据。
• 参数：
  fd：要读取的文件描述符。
  buf：指向存储读取数据的缓冲区的指针。
  count：尝试读取的最大字节数。
• 返回值：成功时返回实际读取的字节数，如果达到文件末尾则返回0。失败则返回-1，并设置errno。

3.4 write函数

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

• 功能：向文件描述符写入数据。
• 参数：
  fd：要写入的文件描述符。
  buf：指向要写入的数据的指针。
  count：要写入的字节数。
• 返回值：成功时返回实际写入的字节数，可能小于count（例如，当写入非阻塞文件描述符时）。如果返回值为0，表示没有数据被写入。失败则返回-1，并设置errno。

3.5 dup2函数

int dup2(int oldfd, int newfd);

• 功能：复制一个文件描述符，使其具有新的文件描述符号。
• 参数：
  oldfd：现有的文件描述符。
  newfd：新文件描述符的号码。如果newfd已经打开，它将被关闭，然后设置为oldfd的副本。
• 返回值：成功时返回新的文件描述符，通常是newfd。失败则返回-1，并设置errno。

3.6 lseek函数

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

• 功能：改变文件描述符的读/写位置。
• 参数：
  fd：要改变位置的文件描述符。
  offset：相对于whence的位置偏移量。
  whence：定义了offset的参考点，可以是SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前位置）、SEEK_END（文件结尾）。
• 返回值：成功时返回新的文件偏移量，失败则返回-1，并设置errno。

四. Linux文件系统

4.1 ex2文件系统

磁盘是典型的块设备，硬盘分区被划分为一个个的block。一个block的大小是由格式化的时候确定的，并且不可更改。例如mke2fs的-b选项可以设定block大小为1024、2048或4096字节。启动块（Boot Block）的大小是确定的。以下该图为磁盘文件系统图:

1. 超级块（Superblock）：
   超级块位于文件系统的开头，通常在第一个块组中，但为了容错，每个块组都会复制一份超级块它包含了整个文件系统的关键信息，如文件系统的大小、状态、空闲块的数量等。如果某个超级块损坏了，可以使用其他块组中的备份超级块来恢复文件系统。
2. 组描述符表（Group Descriptor Table）：
   每个块组都有一个组描述符，这个表记录了所有块组的信息。组描述符中包含了指向该组内位图和inode表的指针，以及关于该组的一些统计信息，比如有多少个空闲块或inode。
3. 块位图（Block Bitmap）：
   块位图用于追踪块组内的哪些块已经被分配出去，哪些块还处于未分配状态。每一位对应一个块，如果位为1，则表示对应的块已被分配；如果位为0，则表示该块尚未被分配。
4. inode位图（Inode Bitmap）：
   inode位图与块位图类似，但它用于追踪inode的状态。每一位代表一个inode，位为1表示inode已分配，位为0表示inode未分配。
5. inode表（Inode Table）：
   每个块组都有一个inode表，用于存储该组内的所有inode。inode是文件系统中用来存储文件元数据（例如文件类型、权限、时间戳等）的数据结构。每个文件或目录在文件系统中都有一个唯一的inode号。
6. 数据块（Data Blocks）：
   数据块是用来存储文件实际内容的空间。文件系统中的每个文件都可以占用一个或多个数据块。数据块的分配是通过inode中的指针来实现的，这些指针指向实际存储文件数据的数据块。

4.2 inode索引节点

每个文件在文件系统中都有一个唯一的inode编号，inode包含了文件的各种属性和信息，但不包括文件名和文件的实际数据。

inode的主要内容:
文件类型：指示文件是普通文件、目录、符号链接还是其他类型的特殊文件（如设备文件）。
文件权限：定义了文件的所有者、所属组和其他用户的读、写、执行权限。
文件所有权：包括文件的所有者（用户ID）和所属组（组ID）。
文件大小：以字节为单位的文件大小。
时间戳：包括文件的最后修改时间（mtime）、最后访问时间（atime）和inode最后更改时间（ctime）。
链接数：指向该inode的硬链接数量。
指向数据块的指针：这些指针指向存储文件实际内容的数据块。对于大文件，inode可能包含直接指针、间接指针、双重间接指针甚至三重间接指针。
特殊标志：例如，是否设置了追加只写标志（append-only）、不可删除标志（immutable）等。

4.3 文件是如何创建的

1. 存储属性
   内核先找到一个空闲的i节点(这里是263466)。内核把文件信息记录到其中。
2. 存储数据
   该文件需要存储在三个磁盘块，内核找到了三个空闲块：300,500，800。将内核缓冲区的第一块数据复制到300，下一块复制到500，以此类推。
3. 记录分配情况
   文件内容按顺序300,500,800存放。内核在inode上的磁盘分布区记录了上述块列表。
4. 添加文件名到目录
   新的文件名abc。linux如何在当前的目录中记录这个文件？内核将入口(263466，abc)添加到目录文件。文件名和inode之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来。

4.4 硬链接和软链接

4.4.1 硬链接

• 创建方法:

  ln source target
  

• 定义: 硬链接是指向同一个inode的不同文件名。也就是说，多个文件名可以指向同一个文件数据。
• 特点
  1. 共享inode：硬链接文件和原始文件共享同一个inode，因此它们实际上是同一个文件的不同名字。
  2. 数据一致性：对任何一个硬链接文件进行修改，都会影响到其他所有硬链接文件，因为它们共享相同的数据块。
     删除影响：删除一个硬链接文件不会删除实际的数据，只有当最后一个硬链接被删除后，inode才会被释放，数据块也会被回收。
  3. 限制：硬链接不能跨文件系统创建，只能在同一文件系统内部创建。

4.4.2 软链接

• 创建方法:

  ln -s target symbolic_link
  

• 定义: 软链接（符号链接）是一个特殊的文件，它包含了指向另一个文件或目录的路径名。它就像Windows中的快捷方式。

• 特点

  1. 独立inode：软链接有自己的inode，它存储的是目标文件的路径名。
  2. 路径依赖：软链接依赖于目标文件的路径，如果目标文件被移动或删除，软链接会失效（变成“断链”）。
  3. 跨文件系统：软链接可以跨文件系统创建。
  4. 支持目录：软链接可以指向文件或目录。
  5. 灵活性：软链接可以创建更复杂的文件系统结构，例如跨目录的快捷方式。

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