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 。
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：
- 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。
- 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。- 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：
- fd：文件描述符，标识了要写入数据的文件或设备。
- buf：指向包含要写入数据的缓冲区的指针。
- 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：
- fd：文件描述符，标识了要从中读取数据的文件或设备。
- buf：指向用于存储读取数据的缓冲区的指针。
- 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 }
5、简单理解Linux下一切皆文件
6、FILE
（1）补充：
- 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）。
- 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。
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 }
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。
（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 }
（4）进程替换为什么不会影响重定向？
- 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。
- 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。
- 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
- 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。
- 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
- GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息。
- 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
- inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用。
- 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
创建新文件过程
- 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。
- 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。
- 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。
- 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：
（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]
（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。