基础IO——文件系统与接口、文件描述符、静/动态库、重定向

本文主要介绍了LInux操作系统中关于文件系统与文件接口、静态库与动态库、重定向以及文件描述符的相关内容。

目录

C文件接口

（1）打开文件：fopen

（2）写文件：fwrite

（3）读文件：fread

（4）移动文件流指针位置：fseek

（5）fclose：

系统调用文件接口

（1）open

（2）write

（3）read

（4）lseek

（5）close

文件描述符

（1）文件描述符概念：

（2）查看文件描述符分配规则

（3）从task_struct的角度理解文件描述符

（4）文件描述符和文件流指针的区别

重定向

（1）符号

（2）从内核理解重定向

（3）重定向接口

静态库&动态库

（1）库的概念

（2）库的优点

（3）动态库

（4）找到动态库的方式

（5）静态库

软硬链接

（1）软连接

（2）硬链接

简单的文件系统

（1）文件在磁盘当中是如何进行存储的（ext2）

（2）创建新文件的4个操作

C文件接口
（1）打开文件：fopen
FILE *fopen(const cahr *path,const cahr *mode);

示例：
FILE* fp = fopen("目标文件名","mode");
函数参数：

path：打开的文件（带路径）

mode：以何种方式打开

（1）r：只读，文件流指向文件头部

（2）r+：读写，文件流指向文件头部

（3）w：只写，如果文件存在则清空文件开始写

如果文件不存在则创建文件

（4）w+：读写，如果文件存在则清空文件开始写

如果文件不存在则创建文件

（5）a：追加写，如果文件不存在，则创建文件，从文件末尾开始写

（6）a+：可读、追加写，如果文件不存在，则创建文件，从文件末尾开始写

返回值：

成功：返回文件流指针

失败：返回NULL

（2）写文件：fwrite
size_t fwrite(const void *ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE *stream);

示例：
ssize_t w_size = fwrite(str,1,strlen(str),fp);
//定义块大小为1个字节，通过strlen（）获取字符串长度，返回值为块数，也是字节数（块大小为一个字节）
函数参数：

ptr：想往文件当中些什么内容

size：定义往文件当中写的时候一个块（block：由程序员自己定义）是多大，单位字节（通常情况为一个字节）

nmemb：期望写多少块

stream：文件流指针

补充：总共往文件当中写的字的大小 = 块的大小 × 期望写多少块

返回值：

返回成功写入到文件中块的个数

（3）读文件：fread
size_t frean(void *ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE *stream);

示例：
char buf[1024] = {0};
ssize_t r_size = fread(buf,1,sizeof(buf)-1,fp);
sizeof（buf）-1的原因：

1. 期望读sizeof(buf)-1个字节的数据，真实读到的字节数量取决于文件内容

2. 预留“\0”的位置，防止后续访问时，为读到“\0”而越界访问，造成程序奔溃

函数参数：

ptr：想从文件当中读到什么内容保存到ptr指向的内存空间中

（注意：空间需要程序员提前准备）

size：定义往文件当中写的时候一个块（block：由程序员自己定义）是多大，单位字节（通常情况为一个字节）

nmemb：期望写多少块

stream：文件流指针

返回值：

返回成功读入的文件块的个数

（4）移动文件流指针位置：fseek
int fseek(FILE*stream,long offset,int whence);
函数参数：

stream：文件流指针

offset：偏移量

whence：将文件流指针偏移到什么位置

SEEK_SET：文件头部

SEEK_CUR：当前文件流指针的位置

SEEK_END：文件末尾

返回值：

成功：0

失败：-1

（5）fclose：
int fclose(FILE *fp);
作用：

打开文件之后，一定记得关闭文件，否则就会造成文件句柄泄露（内存泄漏）

系统调用文件接口
（1）open
#include<fcntl.h>

int open(const char *pathname,int flags,mode_t mode);
参数：

pathname：要打开或创建的目标文件

flags：打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或多个常量进行“或（|）”运算，构成flags。

必选项（必须选择一个且只能选择一个）

O_RDONLY：只读打开

O_ERONLY：只写打开

O_RDWR：读，写打开

可选项

O_CREAT：若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明新文件的访问权限

O_APPEND：追加写

mode：当新创建一个文件的时候，指定新创建文件的权限；传递一个8进制的数字（就是权限，例如0664）

返回值：

成功：新打开的文件描述符

失败：-1

扩展：

文件描述符的数值：

0 标准输入（stdin）
1 标准输出（stdout）
2 标准错误（stdor）
（2）write
ssize_t write(int fd,const void *buf,size_t count);
参数：

fd：文件描述符

buf：将buf指向的内容写到文件当中去

count：期望写多少字节

返回值：

返回写入的字节数量

（3）read
ssize_t read(int fd,void *buf,size_count);
参数：

fd：文件描述符

buf：将从文件当中读到的内容写到buf指向的空间当中去

count：期望读多少字节

返回值：

返回读到的字节数量

（4）lseek
off_t lseek(int fd,off_t offset,int whence);
参数：

fd：文件描述符

offset：偏移量，单位字节

whence：偏移的位置

SEEK_SET：文件头部

SEEK_CUR：当前文件流指针的位置

SEEK_END：文件末尾

返回值：

成功：返回偏移位置，单位字节

失败：-1

（5）close
int close(int fd);
关闭文件描述符

文件描述符
（1）文件描述符概念：
数值：文件描述符是一个小整数

文件描述符可被打开的数量是有限的：

软限制：在操作系统资源允许内，可以使用ulimit修改数量：

ulimit -n [数字] root用户修改
硬限制：操作系统的资源（打开文件描述符需要耗费内存资源）

（2）查看文件描述符分配规则
查看文件描述信息：

/proc/[pid] //通过进程号查看文件信息
文件描述符分配规则：最小未使用原则

（3）从task_struct的角度理解文件描述符
进程描述打开文件的信息的结构体指针：

struct file_struct *files
该结构体指针指向一个结构体，叫做：

struct file_struct{...}
该结构体包括一个数组和若干个结构体指针，叫做：

struct file* fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; 数组
struct file* 结构体指针
每一个指针都指向一个结构体，叫做：

struct file{...}
这个结构体用于描述文件信息，包括：

文件名称、文件大小、文件权限、文件属性、文件所有者、文件在磁盘中的存储位置

其中文件描述符是数组fd_array[]的下标

（4）文件描述符和文件流指针的区别

 源码角度理解文件流指针（struct_IO_FILE）是什么

在程序源码中 “struct_IO_FILE” 被重定义为结构体 “FILE” ，可以通过以下指令查询

vim /usr/include/libio.h

重定向
（1）符号
>：清空重定向

>>：追加重定向

（2）从内核理解重定向
重定向就是将struct file*这个结构体指针的指向改变成为另一个struct file结构体

（3）重定向接口
int dup2(int oldfd,int newfd);
作用：将newfd的值重定向为oldfd，即newfd拷贝oldfd

参数：oldfd/newfd均为文件描述符

成功：1. 关闭newfd 2. 让newfd指向oldfd对用的struct file*结构体

失败：1. 如果oldfd是一个非法/无效的文件描述符，则重定向失败；newfd没有变化

2. 如果oldfd和newfd的值相等，则什么事情都不干

静态库&动态库
（1）库的概念
静态库和动态库都是程序代码的集合。一般为了方便程序提供给第三方使用，就将程序编写成库文件提供给第三方（用户）使用
（2）库的优点
不会泄漏源码（源码为公司的核心）
调用者不必担心库内部实现，只需要关注如何让使用（调用）即可
（3）动态库
特征：

win：没有前缀，后缀为.dll

Linux：前缀为lib，后缀为.so

生成：

使用gcc/g++编译器，增加两个命令行参数

-fPLC

-shared

生成动态库的代码中不需要包含main函数（程序入口函数）

使用：

编译可执行程序时需要依赖动态库

-L [path]：指定动态库所在的路径

-l[动态库的名称（去掉前缀（lib）和后缀（.so）之后的名称）]：指定编译可执行程序时，依赖的动态库是哪个

4）找到动态库的方式
配置LD_LIBRARY_PATH（动态库的环境变量：LD_LIBRARY_PATH）
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:[库文件路径]
将动态库放到可执行程序的路径下（不推荐）
放到系统库的路径下：/lib64（极力不推荐）
（5）静态库
特征：

win：没有前缀，后缀为.lib

Linux：前缀为lib，后缀为.a

生成：

第一阶段，使用gcc/g++将源代码编译成目标程序（.o）

第二阶段，使用ar -rc命令编译目标程序称为静态库

注意：如果直接用源代码编译是不行的

软硬链接
（1）软连接
软连接文件：目标文件的快捷方式

生成：

ln -s 源文件 软连接文件
注意事项：

1. 修改软链接文件，源文件也会被修改

2. 原文件如果被删除，软链接文件还在的，修改软链接文件，会重现建立源文件，重新建立链接关系（慎重），一定要在删除源文件的时候，也将软链接文件也删除掉（注意）

3. 软链接文件和原文件的inode节点不一致

（2）硬链接
硬链接文件：目标文件的提升

生成：

ln 源文件 硬链接文件
注意事项：

1. 硬链接文件和原文件的inode节点一致

简单的文件系统
（1）文件在磁盘当中是如何进行存储的（ext2）
一个磁盘可以被划分成多个分区，每个分区都可以有自己的文件系统

Block Group：ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group，每个Block Group都有着相同的结构组成。

超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息，有block和inode的总量，未使用block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间和等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了

GDT（Group Descriptor Table）：块组描述符，描述块组属性信息

i节点表（inodeTable）：存放文件属性，如文件大小、所有者、最近修改时间等

数据区（Data blocks）：存放文件内容

1. 存储文件的规则并不是将文件进行连续存储的

2. 将文件内容进行离散存储（离散存储课避免产生大量内存碎片）

3. 已使用的区域标记为0，未标记的区域标记为1

块位图（Block Bitmap）：记录数据区（Data blocks）中哪个数据块是否被占用

inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用

（2）创建新文件的4个操作
存储属性

内核先找到一个空闲的i节点（假设为123123），内核将文件信息记录到其中

存储数据

根据文件需要存储的大小，在内核中找对应数量的空闲块，然后将内核缓冲区的数据依次复制进去

记录分配情况

文件内容按顺序存放到空闲块内，，内核在inode上的磁盘分布区记录上述块列表

添加文件名到目录

假设新文件名为abc，内核将入口（1231231，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在一起。

总结：文件名称+inode：作为目录的目录项保存下来
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原文链接：https://blog.csdn.net/w2583467558/article/details/130319452