基础IO学习笔记

  • 一.系统调用接口open、close、write、read
  • 1.open
  • 2.close
  • 3.read
  • 4.write
  • 二.文件描述符
  • 1.默认打开的文件描述符
  • 2.文件描述符实质(file_struct)
  • 3.文件描述符分配规则
  • 4.重定向本质
  • 三.FILE
  • 四.inode(理解文件系统)
  • 1.什么是inode？
  • 2.inode的内容
  • 3.inode的大小
  • 4.inode号码
  • 5.目录文件
  • 6.软硬链接
  • a.硬连接
  • 文件和目录的硬链接数
  • b.软连接
  • 7.inode的特殊作用(软件更新)
  • 五.静态库和动态库


一.系统调用接口open、close、write、read

1.open

nagios eventhandler调用check_nrpe_文件描述符


参数解析：

  • pathname:要打开或要创建的目标文件
  • flags:下面的一个或多个常量进行"或"运算
O_RDONLY 只读
O_WRONLY 只写
O_RDWR   读写打开
O_CRWAT  文件不存在创建它
O_APPEND 追加写
  • 返回值：成功返回新打开的文件描述符，失败返回-1

2.close

nagios eventhandler调用check_nrpe_文件名_02

参数说明：

  • fd为要关闭文件的文件描述符

返回值： 关闭成功返回0，关闭失败返回-1

3.read

nagios eventhandler调用check_nrpe_文件描述符_03

使用：

int main()
{
 int fd = open("myfile", O_RDONLY);
 if (fd<0){
  perror("use open");
  exit(1);
 }
 char buf[1024];
 const char *msg = "hello\n";
 while (1){
  ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg));
  if (s>0){
   buf[s] = 0;
   printf("%s", buf);
  }
  else{
   break;
  }
 }
 close(fd);
 return 0;
}

4.write

nagios eventhandler调用check_nrpe_文件名_04


使用：

int main()
 {
  int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0664);
  if (fd <= 0){
   perror("use open");
   exit(1);
  }
  const char* msg = "hello,xikeda\n";
  int count = 5;
  while (count--){
   write(fd, msg, strlen(msg));
  }
  close(fd);
  return 0;
 }

二.文件描述符

open函数的返回值就是文件描述符，文件描述符就是一个小的整数

1.默认打开的文件描述符

  • Linux系统默认会有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分别对应的物理设备是：键盘、显示器、显示器、

2.文件描述符实质(file_struct)

nagios eventhandler调用check_nrpe_文件描述符_05


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，file_struct就是这个数据结构，进程执行open系统调用，必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个file*指针，指向一张表file_struct,该表包括一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针。本质上，文件描述符就是该数组的下标

3.文件描述符分配规则

在file_struct数组中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符

4.重定向本质

  • a.输出重定向>
  • b.输入重定向<
  • c.追加重定向>>把本来要输出到显示屏的消息输出到文件

    • nagios eventhandler调用check_nrpe_硬链接_06


我们可以把1号描述符对于的文件(标准输出)关了，在打开一个文件，分配的文件描述符必然是1，这样就可以达到把本来要输到显示屏的消息打印到文件中

三.FILE

  • 因为IO相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用。所以，本质上，访问文件是通过fd访问的
  • 所以c库当中的FILE结构体内部，必定封装了fd。
  • printf和fwrintf库函数自带缓冲区，write系统调用接口没有缓冲区，说明缓冲区是C库提供的

缓冲区分为三种:

  • a.无缓冲
  • b.行缓冲(按行刷新)
  • c.全缓冲(缓冲区写满才刷新)

显示器一般是行缓冲，而普通文件是全缓冲

四.inode(理解文件系统)

1.什么是inode？

inode是一个重要概念，是理解Unix/Linux文件系统和硬盘储存的基础。理解inode，要从文件储存说起。文件储存在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做”扇区”（Sector）。每个扇区储存512字节（相当于0.5KB。操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区地读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个”块”（block）。这种由多个扇区组成的”块”，是文件存取的最小单位。”块”的大小，最常见的是4KB，即连续八个 sector组成一个 block。文件数据都储存在”块”中，那么很显然，我们还必须找到一个地方储存文件的源信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件源信息的区域就叫做inode，中文译名为”索引节点”。每一个文件都有对应的inode，里面包含了与该文件有关的一些信息。

2.inode的内容

  • 文件的字节数
  • 文件拥有者的User ID
  • 文件的Group ID
  • 文件的读、写、执行权限
  • 文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上一次打开的时间。
  • 链接数，即有多少文件名指向这个inode
  • 文件数据block的位置我们可以用stat命令查看这些信息：

    • nagios eventhandler调用check_nrpe_文件描述符_07

  • Access:最后访问时间
  • Modify:文件内容最后修改时间
  • Change:文件属性最后修改时间

除了文件名以外的所有文件信息，都存在inode之中

3.inode的大小

inode也会消耗硬盘空间，所以硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。每个inode节点的大小，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。

nagios eventhandler调用check_nrpe_文件描述符_08


查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量，可以使用df命令。

nagios eventhandler调用check_nrpe_硬链接_09

查看每个inode节点的大小，可以用如下命令：

sudo dumpe2fs -h /dev/hda | grep “Inode size”

由于每个文件都必须有一个inode，因此有可能发生inode已经用光，但是硬盘还未存满的情况。这时，就无法在硬盘上创建新文件。

4.inode号码

每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件。这里值得重复一遍，Unix/Linux系统内部不使用文件名，而使用inode号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。表面上，用户通过文件名，打开文件。实际上，系统内部这个过程分成三步：首先，系统找到这个文件名对应的inode号码；其次，通过inode号码，获取inode信息；最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。使用ls -i命令，可以看到文件名对应的inode号码：

nagios eventhandler调用check_nrpe_文件描述符_10

5.目录文件

Unix/Linux系统中，目录（directory）也是一种文件。打开目录，实际上就是打开目录文件。目录文件的结构非常简单，就是一系列目录项（dirent）的列表。每个目录项，由两部分组成：所包含文件的文件名，以及该文件名对应的inode号码。
目录文件的读权限（r）和写权限（w），都是针对目录文件本身。由于目录文件内只有文件名和inode号码，所以如果只有读权限，只能获取文件名，无法获取其他信息，因为其他信息都储存在inode节点中，而读取inode节点内的信息需要目录文件的执行权限（x）。

6.软硬链接

a.硬连接

一般情况下，文件名和inode号码是”一一对应”关系，每个inode号码对应一个文件名。但是，Unix/Linux系统允许，多个文件名指向同一个inode号码。这意味着，可以用不同的文件名访问同样的内容；对文件内容进行修改，会影响到所有文件名；但是，删除一个文件名，不影响另一个文件名的访问。这种情况就被称为”硬链接”（hard link）。

创建硬链接： ln 源文件 目标文件

nagios eventhandler调用check_nrpe_硬链接_11

文件和目录的硬链接数
  • file1和hard_link文件的链接状态完全相同，它们被称为指向文件的硬链接，内核记录了这个链接数，inode为2667318的硬链接数为2
  • 在删除文件的时候，，将目录中对于记录删除，然后将硬链接数减1，如果硬链接数减为0，表明没有文件名指向这个inode，系统就会回收这个inode号码，以及其所对应block区域。
  • 目录文件的硬链接数:创建目录时，默认会生成两个目录项：”.”和”..”。前者的inode号码就是当前目录的inode号码，等同于当前目录的”硬链接”；后者的inode号码就是当前目录的父目录的inode号码，等同于父目录的”硬链接”。所以，任何一个目录的”硬链接”总数，总是等于2加上它的子目录总数（含隐藏目录）。
b.软连接

硬链接是通过inode引用另外一个文件，软连接是通过名字引用另外一个文件。
文件A和文件B的inode号码虽然不一样，但是文件A的内容是文件B的路径。读取文件A时，系统会自动将访问者导向文件B。因此，无论打开哪一个文件，最终读取的都是文件B。这时，文件A就称为文件B的”软链接”（soft link）或者”符号链接（symbolic link）。这意味着，文件A依赖于文件B而存在，如果删除了文件B，打开文件A就会报错：”No such file or directory”。这是软链接与硬链接最大的不同：文件A指向文件B的文件名，而不是文件B的inode号码，文件B的inode”链接数”不会因此发生变化。

创建软链接：ln -s 源文件或目录 目标文件或目录

nagios eventhandler调用check_nrpe_文件名_12

7.inode的特殊作用(软件更新)

由于inode号码与文件名分离，这种机制导致了一些Unix/Linux系统特有的现象。

  • 有时，文件名包含特殊字符，无法正常删除。这时，直接删除inode节点，就能起到删除文件的作用。
  • 移动文件或重命名文件，只是改变文件名，不影响inode号码。
  • 打开一个文件以后，系统就以inode号码来识别这个文件，不再考虑文件名。因此，通常来说，系统无法从inode号码得知文件名。

第3点使得软件更新变得简单，可以在不关闭软件的情况下进行更新，不需要重启。因为系统通过inode号码，识别运行中的文件，不通过文件名。更新的时候，新版文件以同样的文件名，生成一个新的inode，不会影响到运行中的文件。等到下一次运行这个软件的时候，文件名就自动指向新版文件，旧版文件的inode则被回收。

软硬链接的区别：

  • 有无独立的inode。
  • 硬链接是通过inode引用另外一个文件，软连接是通过名字引用另外一个文件。

五.静态库和动态库