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Linux - 文件描述符 | 文件系统 | 软硬链接

2024/10/27 14:41:42 来源:https://blog.csdn.net/2302_79539362/article/details/143141156  浏览:    关键词:Linux - 文件描述符 | 文件系统 | 软硬链接

文章目录

    • 一、文件描述符
      • 1、补充知识
      • 2、文件描述符是什么?
      • 3、处理文件的系统调用接口
      • 4、文件描述符的分配规则
      • 5、简单理解Linux下一切皆文件
      • 6、FILE
      • 7、重定向
    • 二、文件系统
    • 三、软硬链接
      • 1、软连接
      • 2、硬链接
      • 3、软硬链接对比


一、文件描述符

1、补充知识

(1)文件 = 属性 + 文件内容
(2)想要访问文件就需要先打开文件,而文件本身在磁盘中,如果想要打开文件就需要将文件加载到内存上(冯诺依曼体系结构决定的。
(3)管理文件:先描述,再组织( 就会像进程那样被管理起来),所以文件在内存中:文件内核数据结构+文件内容。
(4)linux下一切皆文件。

2、文件描述符是什么?

在进程中每打开一个文件,都会创建有相应的文件描述信息struct file,这个描述信息被添加在pcb的struct files_struct中,以数组的形式进行管理,随即向用户返回数组的下标作为文件描述符,用于操作文件,其中默认打开的三个文件标准输入(stdin)、标准输出(stdout)和标准错误(stderr)分别分配为文件描述符0、1和2 。

在这里插入图片描述

3、处理文件的系统调用接口

(1)open
功能:打开文件。
函数原型:

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

头文件:

#include <fcntl.h>

参数:

  1. pathname:要打开或创建的文件的路径名。这个参数是一个字符串,指定了文件的绝对路径或相对路径。
  2. flags:文件的打开方式,这是一个整数,由一系列标志位组成,如果需要选择多个选项可以使用位运算符或上即可。常用的标志位包括:
    O_RDONLY:只读方式打开文件。
    O_WRONLY:只写方式打开文件。 O_RDWR:读写方式打开文件。
    O_CREAT:如果文件不存在,则创建新文件。此时需要同时指定第三个参数mode来设置新文件的权限。
    O_TRUNC:如果文件已存在且为只写或读写方式打开,则将其长度截断为0。
    O_APPEND:以追加方式打开文件。写入的数据会被追加到文件末尾,而不是覆盖原有数据。
    其他标志位还包括O_NONBLOCK、O_SYNC等,用于控制文件的打开行为和I/O操作的同步性。
  3. mode(可选):当flags包含O_CREAT标志时,需要指定此参数来设置新文件的权限。mode是一个整数,表示文件的访问权限和文件类型。通常使用八进制数来表示权限,如0644表示rw-r–r–。

返回值:

成功时,open接口返回一个非负整数的文件描述符。
失败时,返回-1,并设置全局变量errno以指示错误类型。

(2)write
功能:向文件写入数据。
函数原型:

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

头文件:

<unistd.h> 

参数:

  1. fd:文件描述符,标识了要写入数据的文件或设备。
  2. buf:指向包含要写入数据的缓冲区的指针。
  3. count:要写入的数据字节数。

返回值:

成功时返回实际写入的字节数,失败时返回 -1 并设置 errno。

(3)read
功能:从文件中读取数据。
函数原型:

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

头文件:

<unistd.h> 

参数:

  1. fd:文件描述符,标识了要从中读取数据的文件或设备。
  2. buf:指向用于存储读取数据的缓冲区的指针。
  3. count:希望读取的数据字节数。

返回值:

成功时返回实际读取的字节数(可能小于请求的字节数,表示已到达文件末尾或读取过程中发生错误),失败时返回 -1 并设置 errno。

(4)close
功能:关闭文件。
函数原型:

int close(int fd);

头文件:

<unistd.h> 

参数:
fd:文件描述符。

返回值:

成功时返回0。
失败时返回-1,并设置errno以指示错误类型。

(5)综合使用
写文件:

  1 #include <stdio.h>                                                                                                          2 #include <fcntl.h>                                                              3 #include <unistd.h>                                                             4 #include <string.h>                                                             5                                                                                 6 int main()                                                                      7 {                                                                               8     int fd = open("bite.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666); //打开                           9                                                                                 10     if(fd < 0)                                                                  11         return -1;                                                              12                                                                                 13     const char *s = "i like linux!";                                            14                                                                                 15     write(fd,s,strlen(s));            //写入                                          16                                                                                 17     close(fd);                        //关闭文件                                          18     return 0;                                                                   19 } 

读文件:

  1 #include <stdio.h>                                                              2 #include <fcntl.h>                                                                                                          3 #include <unistd.h>                                                             4 #include <string.h>                                                             5                                                                                 6 int main()                                                                      7 {                                                                               8     int fd = open("bite.txt",O_RDONLY,0666);   //打开                                 9                                                                                 10     if(fd < 0)                                                                  11         return -1;                                                              12                                                                                 13     char s[1024];                                                               14     read(fd,s,1024);                          //读文件                            15                                                                                 16     write(1,s,strlen(s));                     //向显示器输入                                  17                                                                                 18     close(fd);             //关闭文件                                                     19     return 0;                                                                   20 }

4、文件描述符的分配规则

文件描述符分配:指针数组从开始查找第一个空缺的位置的下标。
如:关闭输入流,再打开一个文件。

  1 #include <stdio.h>                                                                                                          2 #include <fcntl.h>                                                              3 #include <unistd.h>                                                             4 #include <string.h>                                                             5                                                                                 6 int main()                                                                      7 {                                                                               8     //关闭输出流                                                                9     close(0);                                                                   10                                                                                 11     //打开文件                                                                  12     int fd = open("test1.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);                           13     if(fd < 0)                                                                  14         return -1;                                                              15                                                                                 16     const char *s = "linux!";                                                   17                                                                                 18     printf("fd : %d\n%s\n",fd,s);                                               19                                                                                 20     close(fd);//关闭文件                                                        21     return 0;                                                                   22 } 

在这里插入图片描述

5、简单理解Linux下一切皆文件

在这里插入图片描述

6、FILE

(1)补充:

  1. c语言的处理文件的库函数封装了系统调用(fopen对open进行了封装)。
  2. FILE是结构体,并且封装了文件描述符。

(2)缓冲区
文件内核缓冲区:
使用系统调用接口如write时,会将输入的内容输入到该缓冲区,等到一定时机操作系统会自动刷新如关闭文件。

语言级缓冲区(用户级缓冲区):
存在哪里?
存在FILE结构体中(使用字符数组储存),如当使用fwrite接口时,先将输入的内容存到该数组中,等到一定数组满的时候就会调用系统接口write输入到文件内核缓冲区中(全缓冲),但是如果时写入显示器文件时是行缓冲。
在这里插入图片描述
为什么存在缓冲区?
减少调用,提高I/O效率。

(3)刷新缓冲区接口
fflush
功能:

对于C语言中的标准I/O操作,fflush 函数可以用来刷新缓冲区。它适用于文件指针(FILE *)类型。

头文件:

#include <stdio.h>

函数原型:

int fflush(FILE *stream);

参数:

fflush函数的参数是一个文件指针(FILE *stream),用于指定需要刷新的。

文件流。
返回值:

fflush函数的返回值是一个整数,表示函数调用的结果状态。如果成功刷新,fflush返回0;如果指定的流没有缓冲区或者只读打开,也返回0值;如果发生错误,返回EOF。

fsync
功能:

fsync 函数用于刷新文件描述符(int fd)的缓冲区,确保数据从内核缓冲区写入到磁盘。

头文件:

unistd.h

函数原型:

int fsync(int fd);

参数:

fsync函数的参数是一个文件描述符(int fd),表示需要同步的文件。文件描述符是一个整数,用于在程序中唯一标识一个打开的文件。

返回值:

fsync函数的返回值是一个整数,表示函数调用的结果状态。如果同步成功,fsync函数返回0;如果同步失败,返回-1,并设置errno为错误码,以便进一步诊断问题。

7、重定向

(1)向看下面例子:

  1 #include <stdio.h>                                                              2 #include <fcntl.h>                                                              3 #include <unistd.h>                                                             4 #include <string.h>                                                             5                                                                                 6 int main()                                                                      7 {                                                                               8     //关闭输出流                                                                9     close(1);                                                                   10                                                                                 11     //打开文件                                                                  12     int fd = open("test.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);                            13     if(fd < 0)                                                                  14         return -1;                                                              15                                                                                 16     const char *s = "linux!";                                                   17                                                                                 18     printf("fd : %d\n%s\n",fd,s);   //此时不向显示器输入,向test.txt                                                        19     fflush(stdout);//刷新缓冲区                                               20                                                                                 21     close(fd);//关闭文件                                                        22     return 0;                                                                   23 }  

在这里插入图片描述
上述操作从输入到显示器文件转到输入test.txt文件中,实现了重定向,重定向操作:< 、> 、 >>。

(2)本质
原本printf想向文件描述符为1指向的file(输出流)输入的,但是现在被
test.txt替换了,从而向test.txt文件输入了。
在这里插入图片描述

(3) dup2系统调用
函数原型:

int dup2(int oldfd, int newfd);

参数

oldfd:要复制的文件描述符。
newfd:目标文件描述符。

返回值:

成功时,返回 newfd 的值。
失败时,返回 -1 并设置 errno 以指示错误。可能的错误包括: EBADF:oldfd 或newfd 不是有效的文件描述符。 EINTR:调用被信号中断。

功能:

dup2 会将 oldfd 复制到 newfd 上。 如果 newfd 已经被打开,dup2 会首先关闭它,这样可以确保没有资源泄漏。 然后,newfd 将会变成 oldfd 的一个副本,也就是说,newfd 和 oldfd 指向相同的文件表项(file table entry)。 如果 oldfd 和 newfd 是相同的,那么 dup2 什么都不做,直接返回 newfd。

使用:

  1 #include <stdio.h>                                                                                                          2 #include <fcntl.h>                                                              3 #include <unistd.h>                                                             4 #include <string.h>                                                             5                                                                                 6 int main()                                                                      7 {                                                                               8     //打开文件                                                                  9     int fd = open("test2.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);                           10     if(fd < 0)                                                                  11         return -1;                                                              12                                                                                 13     dup2(fd,1); //1是输出显示器的文件描述符的值                                 14     const char *s = "linux!";                                                   15                                                                                 16     printf("fd : %d\n%s\n",fd,s);   //此时不向显示器输入,向test2.txt           17     fflush(stdout);//刷新语言缓冲区                                             18                                                                                 19     close(fd);//关闭文件                                                        20     return 0;                                                                   21 } 

在这里插入图片描述
(4)进程替换为什么不会影响重定向?

  1. 文件描述符的独立性:在Linux系统中,每个进程都有一个独立的文件描述符表,用于管理该进程打开的文件和相关的输入输出操作。当进程进行替换时,虽然进程的代码和数据被新程序替换,但文件描述符表(除了被明确关闭的文件描述符)通常会被保留下来。因此,之前设置的重定向操作仍然有效。
  2. 进程属性的保留:尽管exec函数族改变了进程的内容,但进程ID和大多数属性(如文件描述符和信号处理程序)保持不变。这种特性使得exec成为实现各种高级进程控制技巧的基础,同时也保证了重定向等文件操作在进程替换后的连续性。
  3. 重定向的实现方式:重定向是通过修改文件描述符表来实现的,而不是通过修改进程的代码或数据。因此,无论进程的内容如何变化(包括进程替换),只要文件描述符表保持不变或相应的文件描述符未被关闭,重定向就会继续生效。

二、文件系统

在这里插入图片描述

  1. Block Group:ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。
  2. 超级块(Super Block):存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有:bolck 和 inode的总量, 未使用的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
  3. GDT,Group Descriptor Table:块组描述符,描述块组属性信息。
  4. 块位图(BlockBitmap):Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用,哪个数据块没 有被占用
  5. inode位图(inode Bitmap):每个bit表示一个inode是否空闲可用。
  6. i节点表:存放文件属性 如文件大小,所有者(但是不存在文件名),最近修改时间等数据区:存放文件内容

目录文件
目录文件 = inode + datablock = 属性 + 内容,而内容储存的是文件名和inode的映射关系,所以通过路径找到文件名就能找到相应的inode了。

文件描述符和进程的关系

在这里插入图片描述
创建新文件过程
在这里插入图片描述

  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。

三、软硬链接

1、软连接

(1)什么是软链接

软链接(也称为符号链接或symlink)是一种特殊的文件类型,它指向另一个文件或目录。软连接类似于Windows中的快捷方式。通过使用软连接,你可以在不复制文件内容的情况下,为文件或目录创建多个访问路径,软连接有独立的inode,内容保存的是目标文件的路径。

(2)建立软链接

ln -s [目标文件或目录] [软链接名称]

如:
在这里插入图片描述
(3)删除
使用rm命令。

(4)应用场景
快捷方式。

2、硬链接

(1)什么是硬链接

硬链接(Hard Link)是一种文件链接方式,它允许你为文件系统中的同一个文件创建多个目录项(也称为文件名或入口)。这些硬连接共享相同的inode(索引节点)和数据块(不同文件名映射同一inode),因此它们实际上是同一个文件的多个访问点。

(2)建立硬链接

ln [源文件] [硬连接名称]

在这里插入图片描述

(3)删除
使用rm命令。

(4)应用场景
备份。

3、软硬链接对比

(1)inode
软链接有独立的inode,硬链接与源文件一样。

(2)删除源文件后
软链接不能使用,硬链接可以。

(3)文件的权限
软链接的权限和多个方面有关,一般来说设置为:777,硬链接和源文件的权限一样。

(4)跨文件系统
软连接可以跨文件系统进行连接(因为保存的是文件的路径,通过路径找到源文件的inode),硬链接不可以(使用同一个inode,只能在同一个文件系统中)。

(5)目录
软链接可以链接目录文件,硬链接一般不行。

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