Linux-基礎(chǔ)IO詳解

?

Linux - 基礎(chǔ) IO

• Linux - 基礎(chǔ) IO

• 文件 IO 相關(guān)操作

• stdin & stdout & stderr

• 系統(tǒng)文件 I/O

文件的宏觀理解：

狹義理解：

• 1.文件在磁盤里
• 2.磁盤是永久性存儲(chǔ)介質(zhì)，因此文件在磁盤上的存儲(chǔ)是永久性的
• 3.磁盤是外設(shè)（即是輸出設(shè)備也是輸入設(shè)備）
• 4.磁盤上的文件 本質(zhì)是對(duì)文件的所有操作，都是對(duì)外設(shè)的輸入和輸出 簡稱 IO

廣義理解：

• 1.Linux 下一切皆文件（鍵盤、顯示器、網(wǎng)卡、磁盤…… 這些都是抽象化的過程）

文件操作的歸類認(rèn)知：

• 1.對(duì)于 0KB 的空文件是占用磁盤空間的
• 2.文件是文件屬性（元數(shù)據(jù)）和文件內(nèi)容的集合（文件 = 屬性（元數(shù)據(jù)）+ 內(nèi)容）
• 3.所有的文件操作本質(zhì)是文件內(nèi)容操作和文件屬性操作

系統(tǒng)角度：

• 1.對(duì)文件的操作本質(zhì)是進(jìn)程對(duì)文件的操作
• 2.磁盤的管理者是操作系統(tǒng)
• 3.文件的讀寫本質(zhì)不是通過 C 語言 / C++ 的庫函數(shù)來操作的（這些庫函數(shù)只是為用戶提供方便），而是通過文件相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用接口來實(shí)現(xiàn)的

文件 IO 相關(guān)操作

int?fputs(const?char?*s,?FILE?*stream);

fputs 函數(shù)是將 s 所指向的數(shù)據(jù)往 stream 中所指向的文件中寫

char?*?fgets?(?char?*?str,?int?num,?FILE?*?stream?)

注：

• 從流中讀取字符并將它們作為 C 字符串存儲(chǔ)到 str 中，直到讀取 (num-1) 個(gè)字符或到達(dá)換行符或文件結(jié)尾，以先發(fā)生者為準(zhǔn)。
• 換行符使 fgets 停止讀取，但它被函數(shù)視為有效字符并包含在復(fù)制到 str 的字符串中。
• 在復(fù)制到 str 的字符之后會(huì)自動(dòng)附加一個(gè)終止空字符。
• fgets 與 get 完全不同：fgets 不僅接受流參數(shù)，還允許指定 str 的最大大小并在字符串中包含任何結(jié)束的換行符。

fwrite 的使用方法

• 當(dāng)前路徑指的是每個(gè)進(jìn)程，都有一個(gè)內(nèi)置的屬性 cwd
• fwrite 函數(shù)如果 size_t count 傳入的數(shù)正好將字符串內(nèi)容全部傳入到指定文本中則返回 count，否則返回與 count 不同的數(shù)
• fwrite 函數(shù)傳入內(nèi)容的大小正好是 size_t size, 和 size_t count 的乘積

stdin & stdout & stderr

• 任何 C 程序，都默認(rèn)打開三個(gè)文件分別叫做標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）、標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout）、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤（stderr）
• 標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）——鍵盤文件——讀方法（read）
• 標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout）、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤（stderr）——顯示器文件——寫方法（write）
• Linux 下一切皆文件
• 所有的外設(shè)硬件，本質(zhì)是對(duì)應(yīng)的核心操作無外乎是 read 和 write（不同的硬件對(duì)應(yīng)的讀寫方式是不一樣的）

注：

• 可以通過 C 接口，直接對(duì) stdin、stdout、stderr 進(jìn)行讀寫
• C 默認(rèn)會(huì)打開三個(gè)輸入輸出流，分別是 stdin, stdout, stderr, 這樣做便于語言進(jìn)行上手使用，都有輸入輸出的需求
• 幾乎所有的編程語言都會(huì)默認(rèn)會(huì)打開三個(gè)輸入輸出流 stdin, stdout, stderr,
• 任何一種編程語言的文件操作相關(guān)的函數(shù)（庫函數(shù)）底層都會(huì)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口（open、close、write、read，這些在 Linux 系統(tǒng)下有，但這些接口不具備可移植性）
• 語言上相關(guān)文件操作的庫函數(shù)兼容自身語法特征，系統(tǒng)調(diào)用使用成本較高，而且不具備可移植性

系統(tǒng)文件 I/O

open

#include?
#include?
#include?

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

pathname:?要打開或創(chuàng)建的目標(biāo)文件
flags:?打開文件時(shí)，可以傳入多個(gè)參數(shù)選項(xiàng)，用下面的一個(gè)或者多個(gè)常量進(jìn)行“或”運(yùn)算，構(gòu)成flags。
參數(shù):
???O_RDONLY:?只讀打開
???O_WRONLY:?只寫打開
???O_RDWR?:?讀，寫打開
?????這三個(gè)常量，必須指定一個(gè)且只能指定一個(gè)
?? O_CREAT :?若文件不存在，則創(chuàng)建它。需要使用mode選項(xiàng)，來指明新文件的訪問權(quán)限
???O_APPEND:?追加寫
?返回值：
?????成功：新打開的文件描述符
????失?。?1

注：

• open 函數(shù)具體使用哪個(gè)，和具體應(yīng)用場景相關(guān)，如目標(biāo)文件不存在，需要 open 創(chuàng)建，則第三個(gè)參數(shù)表示創(chuàng)建文件的默認(rèn)權(quán)限, 否則，使用兩個(gè)參數(shù)的 open。
• O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR…… 這些都是系統(tǒng)定義的宏，這些參數(shù)只占一個(gè) int 整形中的一個(gè)比特位

注：write read close lseek…… 與 C 語言文件相關(guān)接口用法類似

文件描述符 fd

注：

• 用戶層看到的 fd 本質(zhì)是系統(tǒng)中維護(hù)進(jìn)程和文件對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)組的下標(biāo)
• 所謂的默認(rèn)打開文件，標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出，標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤，其實(shí)是由底層系統(tǒng)支持的，默認(rèn)一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候，就打開了 0，1，2
• 對(duì)于進(jìn)程來講，對(duì)所有的文件進(jìn)行操作，統(tǒng)一使用一套接口（一組函數(shù)指針），因此在 OS 看來一切皆文件

文件描述符就是從 0 開始的小整數(shù)。當(dāng)打開文件時(shí)，操作系統(tǒng)在內(nèi)存中要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述目標(biāo)文件。于是就有了 file 結(jié)構(gòu)體。表示一個(gè)已經(jīng)打開的文件對(duì)象。而進(jìn)程執(zhí)行 open 系統(tǒng)調(diào)用，所以必須讓進(jìn)程和文件關(guān)聯(lián)起來。每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)指針 files_struct*, 指向一張表 files_struct, 該表最重要的部分就是包涵一個(gè)指針數(shù)組，每個(gè)元素都是一個(gè)指向打開文件的指針！所以，本質(zhì)上，文件描述符就是該數(shù)組的下標(biāo)。只要拿著文件描述符，就可以找到對(duì)應(yīng)的文件

補(bǔ)充：

• 標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤在對(duì)應(yīng)的文件描述符為 0，1，2，對(duì)應(yīng) C 語言層上的是 stdin、stdout、stderr
• 所有文件，如果要被使用時(shí)，首先必須被打開
• 一個(gè)進(jìn)程可以打開多個(gè)文件，系統(tǒng)中被打開的文件一定有多個(gè)，多個(gè)被打開的文件，一定要被操作系統(tǒng)管理起來的（先描述（struct file（包含了目標(biāo)文件的基本操作和部分屬性）），再組織（雙鏈表））
• 打開文件的過程：先在 fd_array 數(shù)組中找一個(gè)最小的沒有被使用的數(shù)組下標(biāo)位置，然后把新 open 出的文件的結(jié)構(gòu)體地址填入到數(shù)組中去，對(duì)應(yīng)該地址的下標(biāo)返回給對(duì)應(yīng)的進(jìn)程
• fd：本質(zhì)是進(jìn)程和文件之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)組的下標(biāo)，有了 fd 就可以找到打開文件的所有細(xì)節(jié)

文件描述符的分配規(guī)則

總結(jié)：

• 文件描述符的分配規(guī)則：在 files_struct 數(shù)組當(dāng)中，找到當(dāng)前沒有被使用的
  最小的一個(gè)下標(biāo)，作為新的文件描述符
• Linux 進(jìn)程默認(rèn)情況下會(huì)有 3 個(gè)缺省打開的文件描述符，分別是標(biāo)準(zhǔn)輸入 0， 標(biāo)準(zhǔn)輸出 1， 標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤 2

重定向

補(bǔ)充：程序替換的時(shí)候不會(huì)影響重定向?qū)?yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)（程序替換影響的是進(jìn)程虛擬地址空間部分，而重定向影響的是 files_struct 部分）

使用 dup2 系統(tǒng)調(diào)用

#include?
int?dup2(int?oldfd,?int?newfd);

注：

• newfd 使 oldfd 的一份拷貝，不是拷貝 fd 而是拷貝 fd 對(duì)應(yīng)的 fd_array 數(shù)組中的內(nèi)容

FILE

因?yàn)?IO 相關(guān)函數(shù)與系統(tǒng)調(diào)用接口對(duì)應(yīng)，并且?guī)旌瘮?shù)封裝系統(tǒng)調(diào)用，所以本質(zhì)上，訪問文件都是通過 fd 訪問的。因此 C 庫當(dāng)中的 FILE 結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，必定封裝了 fd

typedef?struct?_IO_FILE?FILE;?在/usr/include/stdio.h
在/usr/include/libio.h
struct?_IO_FILE?{
?int?_flags;?/*?High-order?word?is?_IO_MAGIC;?rest?is?flags.?*/
#define?_IO_file_flags?_flags
?//緩沖區(qū)相關(guān)
?/*?The?following?pointers?correspond?to?the?C++?streambuf?protocol.?*/
?/*?Note:?Tk?uses?the?_IO_read_ptr?and?_IO_read_end?fields?directly.?*/
?char*?_IO_read_ptr;?/*?Current?read?pointer?*/
?char*?_IO_read_end;?/*?End?of?get?area.?*/
?char*?_IO_read_base;?/*?Start?of?putback+get?area.?*/
?char*?_IO_write_base;?/*?Start?of?put?area.?*/
??char*?_IO_write_ptr;?/*?Current?put?pointer.?*/
?char*?_IO_write_end;?/*?End?of?put?area.?*/
?char*?_IO_buf_base;?/*?Start?of?reserve?area.?*/
?char*?_IO_buf_end;?/*?End?of?reserve?area.?*/
?/*?The?following?fields?are?used?to?support?backing?up?and?undo.?*/
?char?*_IO_save_base;?/*?Pointer?to?start?of?non-current?get?area.?*/
?char?*_IO_backup_base;?/*?Pointer?to?first?valid?character?of?backup?area?*/
?char?*_IO_save_end;?/*?Pointer?to?end?of?non-current?get?area.?*/
?struct?_IO_marker?*_markers;
?struct?_IO_FILE?*_chain;
?int?_fileno;?//封裝的文件描述符
#if?0
?int?_blksize;
#else
?int?_flags2;
#endif
?_IO_off_t?_old_offset;?/*?This?used?to?be?_offset?but?it's?too?small.?*/
#define?__HAVE_COLUMN?/*?temporary?*/
?/*?1+column?number?of?pbase();?0?is?unknown.?*/
?unsigned?short?_cur_column;
?signed?char?_vtable_offset;
?char?_shortbuf[1];
?/*?char*?_save_gptr;?char*?_save_egptr;?*/
?_IO_lock_t?*_lock;
#ifdef?_IO_USE_OLD_IO_FILE
};

總結(jié)：

• FILE 結(jié)構(gòu)體中包含了 int fileno 的成員（也就是系統(tǒng)上的 fd 文件描述符）
• fopen、fwrite、fread、fclose 等 f 系列的庫函數(shù)都是由底層 open、write 、read、close 實(shí)現(xiàn)的，通過 open 的返回值傳給 fileno，從而對(duì)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)進(jìn)行封裝
• struct FILE 內(nèi)部包含：

1. 底層對(duì)應(yīng)的文件描述符下標(biāo)

2. 應(yīng)用層 C 語言提供的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)

• 所謂的默認(rèn)打開文件，標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤其實(shí)是由底層系統(tǒng)支持的，默認(rèn)一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候，就打開了 0，1，2

一般 C 庫函數(shù)寫入文件時(shí)是全緩沖的，而寫入顯示器是行緩沖。printf fprintf 等庫函數(shù)會(huì)自帶緩沖區(qū)，當(dāng)發(fā)生重定向到普通文件時(shí)，數(shù)據(jù)的緩沖方式由行緩沖變成了全緩沖。而我們放在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，就不會(huì)被立即刷新，甚至 fork 之后但是進(jìn)程退出之后，會(huì)統(tǒng)一刷新，寫入文件當(dāng)中。但是 fork 的時(shí)候，父子數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生寫時(shí)拷貝，所以當(dāng)你父進(jìn)程準(zhǔn)備刷新的時(shí)候，子進(jìn)程也就有了同樣的一份數(shù)據(jù)，隨即產(chǎn)生兩份數(shù)據(jù)。write 沒有變化，說明沒有所謂的緩沖
printf fputs 等 庫函數(shù)會(huì)自帶緩沖區(qū)，而 write 系統(tǒng)調(diào)用沒有帶緩沖區(qū)。另外，我們這里所說的緩沖區(qū)，都是用戶級(jí)緩沖區(qū)。其實(shí)為了提升整機(jī)性能，OS 也會(huì)提供相關(guān)內(nèi)核級(jí)緩沖區(qū)。printf fprintf 是庫函數(shù)， write 是系統(tǒng)調(diào)用，庫函數(shù)在系統(tǒng)調(diào)用的 “上層”， 是對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的 “封裝”，但是 write 有內(nèi)核級(jí)緩沖區(qū)，而 printf fwrite fputs 等緩沖區(qū)是用戶級(jí)緩沖區(qū)，由 C 標(biāo)準(zhǔn)庫提供

注：系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)與庫函數(shù)盡量不要混在一起使用，可能會(huì)與統(tǒng)一使用的函數(shù)的運(yùn)行結(jié)果有所差異

文件系統(tǒng)

文件：打開的文件、普通未打開的文件
打開的文件：屬性與操作方法的表現(xiàn)就是 struct file{} 屬于內(nèi)存級(jí)文件
普通未打開的文件：磁盤上面未被加載到內(nèi)存的
文件系統(tǒng)功能：將上述的這些文件管理起來

磁盤

磁盤是計(jì)算機(jī)主要的存儲(chǔ)介質(zhì)，可以存儲(chǔ)大量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并且斷電后也能保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。早期計(jì)算機(jī)使用的磁盤是軟磁盤（Floppy Disk，簡稱軟盤），如今常用的磁盤是硬磁盤（Hard disk，簡稱硬盤）。

補(bǔ)充：

• 內(nèi)存在操作系統(tǒng)的角度使用的時(shí)候，基本單位是 4KB，但在使用角度是 1 字節(jié)
• 磁盤存儲(chǔ)的基本單位是扇區(qū)（512 字節(jié)）（磁盤讀取的最小單元）
• 內(nèi)存與磁盤間 IO 時(shí)，基本單位是 4KB，是通過文件系統(tǒng)來完成的

磁盤的劃分

我們可以將磁盤想象成磁帶（線性結(jié)構(gòu)），將磁盤看成一個(gè)線性空間（數(shù)組），類型為扇區(qū)的數(shù)組、數(shù)組個(gè)數(shù)為 10 億多

這樣劃分就不用讓 OS 讀取數(shù)據(jù)時(shí)在哪個(gè)盤面、哪個(gè)磁道、哪個(gè)扇區(qū)找了，OS 與磁盤映射關(guān)系可以通過磁盤驅(qū)動(dòng)來完成，這樣也就做到強(qiáng)解耦性。無論換機(jī)械硬盤還是固態(tài)硬盤，OS 都不用改變讀取磁盤數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只需改變磁盤的驅(qū)動(dòng)程序即可

注：操作系統(tǒng)讀取磁盤數(shù)據(jù)時(shí)的下標(biāo)——LBA

• 磁盤經(jīng)過在 OS 中的虛擬化成數(shù)組，但是所占空間太大，因此需要進(jìn)行分區(qū)化管理，并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行格式化（寫入文件系統(tǒng)（數(shù)據(jù)和方法））。eg：Windows 中的 C 盤、D 盤……
• 每個(gè)分區(qū)再進(jìn)行分組——塊組
• Linux 系統(tǒng)下支持多種文件系統(tǒng)：Ext2、Ext3、fs、usb-fs、sysfs、proc

inode

Linux ext2 文件系統(tǒng)，上圖為磁盤文件系統(tǒng)圖（內(nèi)核內(nèi)存映像肯定有所不同），磁盤是典型的塊設(shè)備，硬盤分區(qū)被劃分為一個(gè)個(gè)的 block。一個(gè) block 的大小是由格式化的時(shí)候確定的，并且不可以更改。例如 mke2fs 的 - b 選項(xiàng)可以設(shè) 定 block 大小為 1024、2048 或 4096 字節(jié)。而啟動(dòng)塊（Boot Block）的大小是確定的，

• Block Group：ext2 文件系統(tǒng)會(huì)根據(jù)分區(qū)的大小劃分為數(shù)個(gè) Block Group。而每個(gè) Block Group 都有著相同的結(jié)構(gòu)組成。
• 超級(jí)塊（Super Block）：存放文件系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)信息。記錄的信息主要有：bolck 和 inode 的總量，未使用的 block 和 inode 的數(shù)量，一個(gè) block 和 inode 的大小，最近一次掛載的時(shí)間，最近一次寫入數(shù)據(jù)的時(shí)間，最近一次檢驗(yàn)磁盤的時(shí)間等其他文件系統(tǒng)的相關(guān)信息。Super Block 的信息被破壞，可以說整個(gè)文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就被破壞了
• GDT，Group Descriptor Table：塊組描述符，描述塊組屬性信息
• 塊位圖（Block Bitmap）：Block Bitmap 中記錄著 Data Block 中哪個(gè)數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被占用，哪個(gè)數(shù)據(jù)塊沒有被占用
• inode 位圖（inode Bitmap）：每個(gè) bit 表示一個(gè) inode 是否空閑可用。
• i 節(jié)點(diǎn)表: 存放文件屬性 如 文件大小，所有者，最近修改時(shí)間等
• 數(shù)據(jù)區(qū)：存放文件內(nèi)容

注：

• Block Group 每個(gè)塊組中都有，但是 Super Block 并不是每個(gè)塊組中都有
• 每一個(gè)文件都對(duì)應(yīng)一個(gè) inode 節(jié)點(diǎn)

總結(jié)：

• 基本上，一個(gè)文件一個(gè) inode（包括文件）
• inode 是一個(gè)文件的所有的屬性集合（不包含文件名）（空文件也是占據(jù)空間的，所有的屬性也是數(shù)據(jù)也要占據(jù)空間）
• 真正表示文件的不是文件名，而是文件的 inode 編號(hào)
• inode 是可以和特定的數(shù)據(jù)塊產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的
• 程序員是通過路徑定位的（目錄）來定位一個(gè)文件，而操作系統(tǒng)是通過目錄的 Data blocks 來確定文件名和 inode 的映射關(guān)系
• 目錄是文件，有獨(dú)立的 inode 和數(shù)據(jù)塊

創(chuàng)建一個(gè)新文件主要有一下 4 個(gè)操作：

• 1.存儲(chǔ)屬性 ——內(nèi)核先找到一個(gè)空閑的 i 節(jié)點(diǎn)。內(nèi)核把文件信息記錄到其中。
• 2.存儲(chǔ)數(shù)據(jù) ——該文件需要存儲(chǔ)在三個(gè)磁盤塊，內(nèi)核找到了三個(gè)空閑塊。將內(nèi)核緩沖區(qū)數(shù)據(jù)緩沖到磁盤的數(shù)據(jù)區(qū)中
• 3.記錄分配情況——文件內(nèi)容按順序存放（數(shù)據(jù)塊）。內(nèi)核在 inode 上的磁盤分布區(qū)記錄了上述塊列表。
• 4.添加文件名到目錄——內(nèi)核將入口添加到目錄文件。文件名和 inode 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系將文件名和文件的內(nèi)容及屬性連接起來。

大多是操作系統(tǒng)在同一個(gè)目錄下是不允許存在同名文件的 刪除文件不需要清空該文件占據(jù)的所有的空間數(shù)據(jù)（只需將該文件的 inode 和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊無效化即可（文件對(duì)應(yīng) inode 和 Block 位圖中的數(shù)字 1 設(shè)置為 0，并將該文件所對(duì)應(yīng)的目錄中的數(shù)據(jù)塊的關(guān)于該文件內(nèi)容清空即可） Linux 下屬性和內(nèi)容是分離的，屬性 inode 保存的（在同一塊塊組 inode 編號(hào)是不同的，但是跨組的 inode 編號(hào)可能相同），內(nèi)容 Data blocks 保存的

補(bǔ)充：

• inode 描述了文件大小和指向數(shù)據(jù)塊的指針
• 通過 inode 可獲得文件占用的塊數(shù)
• 通過 inode 可實(shí)現(xiàn)文件的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換

軟硬連接

硬鏈接:
硬鏈接的應(yīng)用場景：方便進(jìn)行相對(duì)路徑的路徑的設(shè)置

因此，可以看出.、… 的底層實(shí)現(xiàn)是通過硬鏈接的方式來實(shí)現(xiàn)的
注：

• 真正找到磁盤上文件的并不是文件名，而是 inode。其實(shí)在 linux 中可以讓多個(gè)文件名對(duì)應(yīng)于同一個(gè) inode
• 在刪除文件時(shí)干了兩件事情：1. 在目錄中將對(duì)應(yīng)的記錄刪除，2. 將硬連接數(shù) - 1，如果為 0，則將對(duì)應(yīng)的磁盤釋放。

軟鏈接:
注：硬鏈接是通過 inode 引用另外一個(gè)文件，軟鏈接是通過名字引用另外一個(gè)文件

總結(jié)：軟硬鏈接的區(qū)別：本質(zhì)是是否是獨(dú)立文件，有無獨(dú)立 inode；用途：軟鏈接可以指向特定的文件方便進(jìn)行快速索引，硬鏈接是能進(jìn)行相對(duì)路徑設(shè)置

補(bǔ)充：

• 軟鏈接文件是一個(gè)獨(dú)立的文件有自己的 inode 節(jié)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)中保存的源文件路徑訪問源文件
• 硬鏈接是文件的一個(gè)目錄項(xiàng)，與源文件共用同一個(gè) inode 節(jié)點(diǎn)，直接通過自己的 inode 節(jié)點(diǎn)訪問源文件
• 不同分區(qū)有可能有不同文件系統(tǒng)，因此硬鏈接不能跨分區(qū)建立；軟連接可以跨文件系統(tǒng)進(jìn)行連接，硬鏈接不可以
• 當(dāng)刪除源文件時(shí)，軟鏈接文件失效
• ln 生成符號(hào)鏈接文件指的是 ln -s 生成軟鏈接文件

文件的 ACM

總結(jié)：

• Access 最后訪問時(shí)間
• Modify 文件內(nèi)容最后修改時(shí)間
• Change 屬性最后修改時(shí)間

文件的 ACM 的應(yīng)用場景：

動(dòng)態(tài)庫和靜態(tài)庫

靜態(tài)庫與動(dòng)態(tài)庫

• 使用頂尖的工程師寫的代碼是為了開發(fā)效率和魯棒性（健壯性）
• 使用頂尖的工程師寫的功能一般通過庫、開源代碼、基本的網(wǎng)絡(luò)功能調(diào)用（各種網(wǎng)絡(luò)接口、語音識(shí)別）
• 庫分為動(dòng)態(tài)庫和靜態(tài)庫
• 庫的命名：取消前綴 lib，去掉. 之后的內(nèi)容，剩下的就是庫的名字
• 生成可執(zhí)行程序的方式有兩種：動(dòng)態(tài)鏈接、靜態(tài)鏈接

注：

• ldd 可以列出一個(gè)程序所需要得動(dòng)態(tài)鏈接庫；file 命令用于辨識(shí)文件類型
• Linux 中，默認(rèn)情況下形成的可執(zhí)行程序是動(dòng)態(tài)鏈接的
• 將庫中的我的可執(zhí)行程序中使用的二進(jìn)制代碼，拷貝進(jìn)我的可執(zhí)行程序中——靜態(tài)鏈接
• 一般為了更好的支持開發(fā)，第三方庫或者語言庫都必須提供兩個(gè)庫，一個(gè)叫做靜態(tài)庫，一個(gè)叫做動(dòng)態(tài)庫，方便程序員根據(jù)需要進(jìn)行可執(zhí)行程序的生成
• 動(dòng)態(tài)鏈接的特點(diǎn)：體積小、節(jié)省資源（磁盤、內(nèi)存），依賴庫，一旦丟失可執(zhí)行程序不可執(zhí)行
• 靜態(tài)鏈接的特點(diǎn)：體積大、浪費(fèi)資源（磁盤、內(nèi)存），不依賴庫，庫丟失，可執(zhí)行程序不受影響

總結(jié)：

• 靜態(tài)庫（.a）：程序在編譯鏈接的時(shí)候把庫的代碼鏈接到可執(zhí)行文件中。程序運(yùn)行的時(shí)候?qū)⒉辉傩枰o態(tài)庫
• 動(dòng)態(tài)庫（.so）：程序在運(yùn)行的時(shí)候才去鏈接動(dòng)態(tài)庫的代碼，多個(gè)程序共享使用庫的代碼。
• 一個(gè)與動(dòng)態(tài)庫鏈接的可執(zhí)行文件僅僅包含它用到的函數(shù)入口地址的一個(gè)表，而不是外部函數(shù)所在目標(biāo)文件的整個(gè)機(jī)器碼
• 在可執(zhí)行文件開始運(yùn)行以前，外部函數(shù)的機(jī)器碼由操作系統(tǒng)從磁盤上的該動(dòng)態(tài)庫中復(fù)制到內(nèi)存中，這個(gè)過程稱為動(dòng)態(tài)鏈接（dynamic linking）
• 動(dòng)態(tài)庫可以在多個(gè)程序間共享，所以動(dòng)態(tài)鏈接使得可執(zhí)行文件更小，節(jié)省了磁盤空間。操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存機(jī)制允許物理內(nèi)存中的一份動(dòng)態(tài)庫被要用到該庫的所有進(jìn)程共用，節(jié)省了內(nèi)存和磁盤空間

生成靜態(tài)庫

[root@localhost?linux]#?ls
add.c?add.h?main.c?sub.c?sub.h
[root@localhost?linux]#?gcc?-c?add.c?-o?add.o
[root@localhost?linux]#?gcc?-c?sub.c?-o?sub.o
生成靜態(tài)庫
[root@localhost?linux]#?ar?-rc?libmymath.a?add.o?sub.o?
ar是gnu歸檔工具，rc表示(replace?and?create)
查看靜態(tài)庫中的目錄列表
[root@localhost?linux]#?ar?-tv?libmymath.a?
rw-r--r--?0/0?1240?Sep?15?16:53?2017?add.o
rw-r--r--?0/0?1240?Sep?15?16:53?2017?sub.o
t:列出靜態(tài)庫中的文件
v:verbose?詳細(xì)信息
[root@localhost?linux]#?gcc?main.c?-I?-L.?-lmymath
-L?指定庫路徑
-I?指定頭文件路徑
-l?指定庫名
測試目標(biāo)文件生成后，靜態(tài)庫刪掉，程序照樣可以運(yùn)行

注：

• -I：告訴 gcc 除了默認(rèn)路徑（/usr/include）以及當(dāng)前路徑之外，在指定路徑下也找一下頭文件
• -L：告訴 gcc 除了默認(rèn)路徑 (/lib/ 、/lib64 、/lib64/libc*) 以及當(dāng)前路徑之外，在指定路徑下也找一下庫文件
• -l?庫名稱：具體鏈接哪個(gè)庫

C 語言編譯時(shí)直接編譯不用任何選項(xiàng)：

• 1.庫文件和頭文件在默認(rèn)路徑下 gcc 能找到
• 2.gcc 編譯 C 語言代碼默認(rèn)應(yīng)該鏈接 libc

當(dāng)自己的可執(zhí)行程序編譯時(shí)不想用這些選項(xiàng)：將頭文件和庫文件分別拷貝到默認(rèn)路徑下——庫的安裝（第三方庫）（使用時(shí)必須帶上 - l 庫名稱） 當(dāng)只有靜態(tài)庫時(shí)，沒有動(dòng)態(tài)庫，用 gcc 編譯（不加 - static）會(huì)直接用靜態(tài)鏈接生成可執(zhí)行程序

補(bǔ)充：

• 庫搜索路徑：
• 從左到右搜索 - L 指定的目錄。
• 由環(huán)境變量指定的目錄 （LIBRARY_PATH）
• 由系統(tǒng)指定的目錄
  /usr/lib
  /usr/local/lib

生成動(dòng)態(tài)庫

• shared: 表示生成共享庫格式
• fPIC：產(chǎn)生位置無關(guān)碼 (position independent code)
• 庫名規(guī)則：libxxx.so
  

補(bǔ)充：

• 動(dòng)態(tài)庫被加載在內(nèi)存中，可以供多個(gè)使用庫的程序共享映射到自己的虛擬地址空間使用，因此可以減少頁面交換以及降低內(nèi)存中代碼冗余，并且因?yàn)榕c源程序模塊分離，因此開發(fā)模式比較好
• 加載動(dòng)態(tài)庫的程序運(yùn)行速度相對(duì)較慢，因?yàn)閯?dòng)態(tài)庫運(yùn)行時(shí)加載，映射到虛擬地址空間后需要重新根據(jù)映射起始地址計(jì)算函數(shù) / 變量地址
• 靜態(tài)庫會(huì)被添加為程序的一部分進(jìn)行使用
• 動(dòng)態(tài)庫可用節(jié)省內(nèi)存和磁盤空間
• 靜態(tài)庫重新編譯，需要將應(yīng)用程序重新編譯

運(yùn)行動(dòng)態(tài)庫

1.拷貝. so 文件到系統(tǒng)共享庫路徑下, 一般指 / usr/lib?

2.更改 LD_LIBRARY_PATH（當(dāng)系統(tǒng)重啟時(shí)使用之前添加的是無效的，應(yīng)重新添加）

export?LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:路徑

3.ldconfig 配置 / etc/ld.so.conf.d/，ldconfig 更新

　　審核編輯：湯梓紅