【linux基础I/O(二)】文件系统讲解以及文件缓冲区的概念

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1. 前言

对于文件来讲,有打开的在内存中
的文件,也有没有打开的在磁盘上
文件,上一篇文章讲解的是前者,本篇
文章将带大家了解后者!

本章重点:

本篇文章着重讲解在磁盘中的文件的
存储方式以及inode相关概念.在这之前
会解释C语言缓冲区的概念以及作用,
最后会带大家了解软硬链接如何创建,
软硬链接的区别,理解动静态库

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2. 理解C语言的缓冲区

缓冲区的本质就是一段内存空间
那么为什么要有缓冲区?讲个例子

你在云南大学想要将一本书送给你在
北京邮电大学的好友,你会亲自将书带
过去给他然后再回云南吗?显然不可能
你会去楼下的顺丰快递将书籍让顺丰帮
你寄到北京区,你就代表一个用户,而书籍
就是你要发送给其他用户的数据,顺丰就
是这个缓冲区.很明显缓冲区有以下性质:

• 顺丰拿到你的快递立刻发送(立刻刷新)
• 等累计快递达到一定数量统一发送(行刷新)
• 或者当快递站放满了再发送快递(满刷新)

行缓存的设备文件: 显示器(关心用户体验)
全缓存的设备文件: 磁盘文件(关心效率)

执行下面的代码时,不会立刻打印出信息:

printf("abcdef");
sleep(5);
return 0;

因为printf后没有\n刷新缓冲区,所以
信息不会立刻打印出来,当休眠五秒
后程序退出时才会进行刷新缓冲区!

函数fflush可以强制刷新缓冲区

除此之外,既然操作系统只认识文件描述符
fd,所以C语言的FILE结构体中一定封装了fd
,并且C语言的缓冲区实际上也是在FILE结构
体中维护的!也就是说直接使用系统调用去进
行输出工作是不会有缓冲区的概念的!

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3. 对文件系统的初认识

对于已经在内存中打开的文件来说,它的
结构无非就是OS为它创建的struct file,
但是对于未打开的文件也就是存储在磁盘
上的文件,是怎样管理的呢?

看看关于磁盘结构的剖析图:

磁盘看似是一张盘面,实际上内部分为
很多个面,一个面对于一个磁头,这是正
视图的磁盘,再来看看俯视图的磁盘:

对于磁盘的每一个面来说,并不是所有
的区域都可以用来存储数据,可以把特
定的磁道中特定的扇区看作是一个小
数组,此小数组中存储文件的属性内容
一般而言一个扇区的大小是512字节

所以我们把把整个磁盘文件的管理
细拆分为对一个扇区的管理!!!

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4. 扇区中的块组是如何工作的?

每个扇区是512字节的大小,每个分区会
划分不同的块组,将所有的块组管理好也
就将整个磁盘管理好来了!

块组的基本结构:

• inode Table保存对应文件的属性.每一个inode块都有一个inode编号,也就是说一个文件,一个inode,一个inode编号
• Block Bitmap是个位图,表示特定的块组是否被使用
• inode Bitmap也是个位图,表示特定的inode是否被占用
• Data Blocks存储此文件的内容
• GDT是块组描述符,表征这个块组有多大,已被使用了多少,有多少个inode,还剩多少个等等.
• SuperBlock保存着文件系统的属性信息,每个块组都会备份一份,里面有每一个块组的信息

从今往后,要在磁盘中找到一个文件只需: 找到inode编号->分区特定的块组->inode->属性->内容
那么问题是文件的inode是什么我怎么知道?是的,OS都考虑好了,在文件的目录中,存放着文件名和此文件的inode对应的映射关系,可以通过文件名直接找到inode!!!

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5. 理解软硬链接

我们看到，真正找到磁盘上文件的并不是文件名，而是inode。 其实在linux中可以让多个文件名对应于同一个inode,这就是硬链接的原理

使用指令: ln 创建硬链接

使用方法: ln 已存在的文件 要创建的硬链接

可以发现,在创建硬链接前,test.cpp的引用计数是1,而创建硬链接后计数变成了2,其实硬链接的本质就是给相同的文件取别名,硬链接没有自己的inode,它和原文件的inode相同!请看下面的图片验证:

使用指令: ln -s 创建软连接

使用方法: ln -s 已存在的文件 要创建的硬链接

可以发现,创建的软连接是独立的一个文件,它有自己的inode,并且此软连接指向原文件,软链接相当于Windows下的创建快捷方式一样,它可以将文件路径很复杂的文件创建一个软链接到当前目录,想要使用原文件时,只需要使用软链接即可!

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6. 理解动静态库

• 静态库(.a结尾): 程序在编译链接时就把库的代码链接到可执行程序
• 动态库(.so结尾): 程序运行时才去链接动态库的代码,动态库的代码是被共享的

gcc/g++默认使用的动态链接的方式,若
想要变为静态链接,在编译时加上-static

如何写一个自己的库?

.h文件写声明,.c写实现,将.c文件
编译成.o文件后,再将所有的.o文件
通过指针ar打包成一个库,将这个库
和.h文件放在同一目录,别人就能用了

制作静态库指令:

ar -rc libhello.a mymath.o myprintf.o

制作动态库指令:

gcc -shared myadd.o myprintf.o -o libhello.so

当别人要使用你写的库时,需要在编译
时带上选项-l加上你的库名,就像后面
在学习线程库时要加上选项-lpthread
,它的意思就是要使用pthread线程库

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7. 总结

Linux的基础IO部分已经全部讲解
完毕,下一章将进入进程信号的学习.
掌握文件的inode相关知识可以更好
的帮助我们理解文件在打开和关闭时
分别是怎样运作的!

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