linux系统基础知识-基础IO
IO
概念引入
在学习C语言的时候，我们学过一些文件操作的函数，比如fopen,fgets,fputs,fclose等等，其实这些函数的功能就是在操作文件，进行IO读取工作。这些是C语言封装的函数。
然而C语言封装的函数里面，一定有OS层面的动作，因为IO设计到硬件操作，而对于硬件的操作一定要通过系统调用，让OS帮助我们完成IO操作。
所以，为了更好的让大家理解IO原理，先介绍一下IO的系统调用接口。
位图的概念
在介绍系统调用函数之前，需要了解一下位图的概念。顾名思义就是每个比特位都有不通过的含义，代表着不同的功能。
下面使用一个例子介绍位图的应用：
1 #include<stdio.h>
2
3
4 // 用int中的不重复的一个bit，就可以标识一种状态
5 // 第1个比特位表示功能一，第二个比特位表示功能二，第三个比特位表示功能三
6 #define ONE 0x1 //0000 0001
7 #define TWO 0x2 //0000 0010
8 #define THREE 0x4 //0000 0100
9
10
11 void show(int flags)
12 {
13 //哪个标志的比特位是1，就完成对应的功能
14 if(flags & ONE) printf("功能ONE\n");
15 if(flags & TWO) printf("功能TWO\n");
16 if(flags & THREE) printf("功能THREE\n");
17 }
18
19 int main()
20 {
21 show(ONE); //选择功能1
22 show(TWO); //选择功能2
23 show(ONE | TWO); //选择功能1和2
24 show(ONE | TWO | THREE); //选择功能123
25 return 0;
26 }
从上面的运行结果可以来看，我们使用位图的概念，实现了的方法可以选择任意功能。
IO的系统调用函数
open
类比fopen的使用，使用man 2 open查询open函数的用法。我们使用时，经常使用带mode的函数。
第一个参数：文件路径
第二个参数flags：功能位（位图的概念）
第三个参数：权限：可以使用16进制来表示，一般使用0x666表示rw权限。
返回值：成功时返回新打开的文件描述符。失败时：返回-1.
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。
- O_RDONLY:只读打开
- O_WRONLY：只写打开
- O_RDWR：读、写打开 （上面这三个常量，必须写一个且只能写一个）
- O_CREAT：若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明文件的访问权限。
- O_APPEND：追加写。
下面我们简单举个例子来打开文件：
1 #include<stdio.h>
2 #include<sys/types.h>
3 #include<sys/stat.h>
4 #include<fcntl.h>
5
6 int main()
7 {
8 //只读并且没有文件创建。
9 int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);// rw-rw-rw
10 if(fd < 0)
11 {
12 perror("open:");
13 return 1;
14 }
15
16 printf("打开成功, fd %d \n", fd);
17
18 return 0;
19 }
write
类比fwrite的使用，使用man 2 write查询open函数的用法。
fd：文件描述符
buf：要写的字符串。
count：要写的大小（单位是字节）
返回值：ssize_t ：实际写的有效字节数。
read()
类比fread。
将fd的功能读到字符串buf中，读取count个字节。
close
关闭指定文件，通过文件描述符关闭。
返回值：0代表成功。-1代表失败。
简单使用样例：
创建一个log.txt文件，并且追加输入111222333
1 #include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<stdlib.h>
4 #include<unistd.h>
5 #include<sys/types.h>
6 #include<sys/stat.h>
7 #include<fcntl.h>
8
9 int main()
10 {
11 //只读并且没有文件创建，追加写入
12 int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);// rw-rw-rw
13 if(fd < 0)
14 {
15 perror("open:");
16 return 1;
17 }
18
19 printf("打开成功, fd %d \n", fd);
20 const char* s1 = "111111111111";
21 const char* s2 = "222222222222";
22 const char* s3 = "3333333333333";
23 write(fd, s1, strlen(s1));
24 write(fd, s2, strlen(s1));
25 write(fd, s3, strlen(s1));
26
27 close(fd);
28
29 return 0;
30 }
文件描述符fd
通过open系统调用函数的理解，发现文件描述符其实就是一个小整数，并且一直是3，为什么呢？
这就要引入stdin，stdout，stderr的概念。
默认文件流stdin/stdout/stderr
在我们操作系统启动的时候，默认会打开三个流，他们就是stdin，stdout，stderr，即标准输入流、标准输出流、标准错误流。对应的硬件分别是：键盘（让我们能输入）、显示器（让我们能看见）、显示器（出错了也能看见）。
看下面一段程序：
1 #include<stdio.h>
4 int main ()
5 {
6
7 printf("stdin: %d\n",stdin->_fileno);
8 printf("stdout: %d\n",stdout->_fileno);
9 printf("stderr: %d\n",stderr->_fileno);
10 return 0;
11 }
12
我们可以猜测，0，1，2是被这默认打开的三个流占用了，所以我们每次再打开文件的时候，被分配的就是从3开始了。
并且在man手册查看一下他们的介绍，发现都是FILE* 类型的。
因此我们猜测FILE是一个结构体，并且结构体的内部一定有fd。当然这个结构体一定是由C语言提供的。
而我们上面学习了系统调用函数，使用的是fd操纵的文件，我们可以推测C语言的文件操作，一定封装了系统调用的接口，并且通过struct FILE里面的fd来和系统沟通，因为系统只认识fd，不认识FILE*。
下面我将fd与文件的关系可视化出来帮助大家理解：
解释：通过进程的pcb里面可以找到一个数组，其中fd就是数组的下标，数组内容存着文件的属性信息。因此当我们打开一个文件的时候，OS会在数组中申请一个最小的下标（通常情况下最小为3），然后内容存上结构体的地址，这样我们就能通过fd操作文件啦。
现在我们知道，文件描述符就是从0开始的小整数。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文件。于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*file，指向一张表files_struct，该表最重要的部分就是包含一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！所以，本质上，文件描述符fd就是该数组的下标。所以只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件。
文件描述符的分配规则
现在我们已经理清楚，文件描述符是什么，有什么用。那么他的分配规则是什么呢？fd分配最小下标分配原则。
关闭0号文件，那么我们如果打开文件的话描述符就为0，如下：
1 #include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<stdlib.h>
4 #include<unistd.h>
5 #include<sys/types.h>
6 #include<sys/stat.h>
7 #include<fcntl.h>
8
9 int main()
10 {
12 close(0); //关闭0号文件描述符
13 int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);// rw-rw-rw
14 if(fd < 0)
15 {
16 perror("open:");
17 return 1;
18 }
19
20 printf("打开成功, fd %d \n", fd);
28 close(fd);
30 return 0;
31 }
可以验证OS总是优先分配最小的数组下标，即便是0、1、2号下标也不例外！！！
重定向的概念
输出重定向
看一下下面的代码：
1 #include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<unistd.h>
4 #include<sys/types.h>
5 #include<sys/stat.h>
6 #include<fcntl.h>
7
8 int main ()
9 {
10
11 close(1);
12 int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); //fd的文件描述符为1
13 //下面的内容本应该打印到屏幕上。但实际上却没有打印出来。
14 printf("打开文件分配的fd为%d\n", fd);
15 printf("打印到屏幕上的内容\n");
16 fprintf(stdout, "hello fprintf\n");
17 const char* s1 = "hello fwrite\n";
18 fwrite(s1, 1, strlen(s1), stdout);
19
22 fflush(stdout);
23 close(fd);
24 return 0;
25 }
运行结果：本应该显示在屏幕上的内容却被输出到了文件里！这个现象叫做输出重定向，但是为什么呢？
下面我将用图例解释一下产生上面情况的原因：
注意stdin,stdout,stderr在C语言是宏定义，分别被定义成为了0、1、2。在代码中，我们首先关闭了1号文件描述符，然后又打开了文件，显然log.txt文件的文件描述符就是1，也就是说1号下标的内容由标准输出（屏幕）变成了指向log.txt的指针。所以，我们在代码中对stdout文件输出内容，在语言层面其实就是对1号文件描述符输出内容，然而语言层面不知道这个改变（因为文件描述符是OS分配的），所以就造成了输出重定向。
输入重定向
理解输出重定向例子后，我们很容易就能写出输入重定向。
8 int main ()
9 {
10
11 // 关闭stdin
12 close(0);
13 int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
14 if(fd<0)
15 {
16 perror("open:");
17 return 1;
18 }
19 printf("fd = %d \n", fd);
20 char buffer[128];
21 fgets(buffer, sizeof buffer, stdin);
22 printf("buffer:%s\n", buffer);
23 close(fd);
}
运行结果：
可知我们本该需要使用键盘输入的时候，但是却不需要我们输入，而是从我们打开的文件中读取了一行。这就完成了输入重定向工作。
追加重定向
我们实现一直往log.txt追加输出内容的代码：
1 #include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<unistd.h>
4 #include<sys/types.h>
5 #include<sys/stat.h>
6 #include<fcntl.h>
7
8 int main ()
9 {
10
11 close(1);
//将文件打开方式变为追加打开即可
12 int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); //fd的文件描述符为1
13 //下面的内容本应该打印到屏幕上。但实际上却没有打印出来。
14 printf("打开文件分配的fd为%d\n", fd);
15 printf("打印到屏幕上的内容\n");
16 fprintf(stdout, "hello fprintf\n");
17 const char* s1 = "hello fwrite\n";
18 fwrite(s1, 1, strlen(s1), stdout);
19
22 fflush(stdout);
23 close(fd);
24 return 0;
25 }
运行程序前后，log.txt内容确实被追加了！
dup2()系统调用
上面的例子只是让我们见识一下重定向是什么样子。而实际工程中，我们多使用dup2()系统调用，来完成此功能。
把oldfd文件描述符的内容给nwefd（相当于修改的是数组内容）。
看下面代码示例：
8 int main (int argc, char* argv[])
9 {
10 if(argc!=2)
11 {
12 return 1;
13 }
14
15 int fd = open("log.txt", O_CREAT| O_WRONLY|O_TRUNC, 0666);
16 printf("fd:%d\n", fd);
17 dup2(fd,1); //将stdout的内容修改为fd
18 printf("打印屏幕上的内容：%s\n",argv[1]);
19
20 close(fd);
21 return 0;
}
运行结果：
通过上面的例子，我们使用dup2完成了输出重定向！
总结
重定向的本质，其实是在OS内部，更改fd对应的内容指向！！！
重定向很容易解决Linux系统一切皆文件的设计理念。它把显示器、键盘、磁盘当成文件，全部封装成struct file，在用户看来，只需要操作对应的结构体，即可完成重定向的工作。用户根本不需要知道硬件的细节。也恰好能体现封装的思想。
文件缓冲区
-
什么是缓冲区？
缓冲区就是一段内存区域，介于CPU和硬盘之间，因为要执行IO的话，CPU肯定会访问硬盘。CPU的速度是ns级别，硬盘的速度是ms级别。如果让CPU直接访问的话，肯定会拖慢系统的速度。因此我们可以在内存中开辟一小段区域，这段区域就叫做缓冲区。 -
缓冲区有什么用？
缓冲区可以提高效率。
写透模式（wrrite through）：CPU直接向硬盘写入（耽误CPU时间，慢）。
写回模式：（write back）：CPU将数据写到缓冲区后，就干别的事情去了，让缓冲区自己往硬盘写入，写完报告给CPU即可。(不耽误CPU时间，快，，也可以提高用户的相应速度)。 -
缓冲区的刷新策略
立即刷新（写完就立马刷新）、行刷新/行缓冲（遇到\n就立马刷新)、满刷新/全缓冲（写满缓冲区才刷新）。
一般而言，行缓冲的设备文件：显示器；全缓冲的设备：磁盘文件
深入理解缓冲区的概念
下面我们先看一段代码：
8 int main ()
9 {
10
11 //C语言提供的
12 printf("hello world\n");
13 const char* s1 = "hello frite\n";
14 fwrite(s1, 1, strlen(s1), stdout);
15 fprintf(stdout,"hello fprintf\n");
16
17 //OS系统提供的接口
18 const char *s2 = "hello write\n";
19 write(1, s2, strlen(s2));
20
21
22 fork();
23 return 0;
24 }
程序运行结果如下：
**观察发现，程序运行时是正常的，但是当我们重定向到文件里面后，发现C语言提供的函数打印了两次，而系统调用函数只打印一次。**如果我们把fork去掉之后，程序正常运行。我们猜想，这种情况一定和fork有某种关系。
解释：
- 如果向显示器打印，刷新策略是行刷新，那么最后执行fork的时候，一定是函数执行完了同时数据已经被刷新了，此时再fork就没有意义了。
- 如果对应的程序进行了重定向，要向磁盘文件打印，隐形的刷新策略变成了全缓冲(\n便不管用了)，fork的时候，一定是函数已经执行完了，但是数据还没有刷新！因为刷新会清空缓冲区，这涉及到写时拷贝，当父进程结束运行，会刷新缓冲区，同时触发写时拷贝，赋值给子进程，子进程退出时再刷新一份，这样就相当于打印了两次。
- 为什么系统调用函数只打印一次呢？
原因是，我们上面提到的缓冲区其实是C语言层面上的，调用C函数时，会将数据写到C提供的缓冲区上。而fork后，出发写时拷贝时，父进程刷新数据到OS缓冲区（1份），子进程刷新到OS缓冲区（2份），因此C语言层面上会打印两次。而write系统调用会直接将数据写到OS缓冲区，因为他是系统提供的函数，不属于C语言函数，因此不涉及C语言层面上的写时拷贝动作，因此只会刷新一次。
下图解释了这种现象：
输出缓冲区部分代码解释
我们在输出缓冲区，当时红色框框的代码没有讲解，现在我们可以解释一下：
- 当我们关闭了1号文件，打开了log.txt，此时log.txt的文件描述符为1.
- 刷新策略由行刷新，变成了普通刷新，因为是往文件里打印，因此我们输出的数据，其实是在stdout的缓冲区里，并没有刷新呢！
- 如果我们提前关闭close（1）,因为数据还在缓冲区里，还没有来得及刷新到文件里。所以log.txt文件里什么都没有。
- 当我们提前fflush文件的时候，已经把数据刷新到文件里，因此再关闭文件就没事了。
总结
所有的设备按道理来说，都倾向于全缓冲，缓冲区满了，才刷新，这样能进行更少的IO操作，提高效率。因为和外设IO时，数据量的大小不是主要矛盾，和外设预IO的过程（准备过程）是最耗费时间的。
为了照顾到用户体验，显示器一般都是行刷新。极端情况下，我们也可以自定义刷新规则。
**C语言的缓冲区在哪里呢？**和fd一样，存在FILE结构体里面，包含了该文件fd对应的语言层的缓冲区结构。
stdout和stderr的区别
stdout和stderr所对应的硬件都是显示器，但是他们具体有什么区别呢？
名字上：stdout叫标准输出流，stderr叫标准错误流。
让我们看下面一段代码：
该程序输出的1表示使用stdout打印的。输出2表示使用stderr打印的。
1 #include<iostream>
2 #include<stdio.h>
3
4 int main()
5 {
6 //stdout -> 1
7 printf("hello printf 1\n");
8 fprintf(stdout, "hello fprintf1\n");
9
10 //stderr
11 perror("hello perror 2");
12
13 // cout -> 1
14 std::cout<< "hello cout 1"<<std::endl;
15 //cerr -> 2
16 std::cerr<<"hello cerr 2"<<std::endl;
17
18 return 0;
19 }
程序首先都被打印到了屏幕上，证明他们对应的硬件都是显示器。
我们在此程序的基础上，运行下面的命令：
重定向后，发现stderr的输出仍然打印出来了，但是stdout的输出被重定向到log.txt。
结论：因为屏幕只有一个，stdin和stdout都打开了显示器文件，即一个显示器文件被打开了两次，有两个文件描述符，输出重定向只是重定向了fd=1描述符，并没有影响到stderr。因此stderr仍然打印到屏幕上。
应用：
//运行下面的命令即可把两种输出，分别重定向到两个文件里。
./myfile > log.txt 2>err.txt
//运行下面的命令即可把两种输出，重定向到一个文件里。
./myfile > log.txt 2>&1
总结
一般而言程序如果可能出问题的话，使用stderr或者cerr来打印。
如果是常规文本的打印，建议使用cout或者stdout打印。
自己实现一个perror
在我们的文件操作函数出错之后，出错信息一般都会存在一个全局变量，errno里面，我们一般都使用perror函数来打印错误信息，但是该接口不需要errno。说明该接口一定封装了errno。代码如下：
5 void myperror(const char* s)
6 {
7 //使用errno全局变量打印错误
8 fprintf(stderr, "%s %s\n",s, strerror(errno));
9 }
文件系统
文件系统顾名思义是管理文件的系统。如下图是Linux ext2文件系统的磁盘文件系统图。
磁盘是典型的块设备，硬盘分区被划分为一个个的block。一个block的大小是格式化的时候确定的，并且不能更改。其中启动块（Boot Block）的大小是确定的。
- Block Group：块组，文件系统会根据分区的大小划分为好多个Block Group。而每个Block Group有着相同的结构。
- 超级块（Super Block）：存放（整个）文件系统本身的结构信息。记录的主要信息有：block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，最近一次检查磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block如果被损坏，整个文件系统就被破坏了。因此，有好多个Block Group都有Super Block。
- GDT（Group Descriptor Table）：块组描述符，描述块组的属性信息，这个块组多大，已经使用了多少，有多少inode，已经占用了多少，还剩多少，一共有多少个block，使用了多少。
- 块位图（Block Bitmap）：位图中记录着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。
- inode Table：i结点表，存放文件属性和文件大小，所有者，最近修改时间等。
- Data blocks：数据区存放文件内容。
众所周知：文件 = 属性 + 数据，因此flie = inode Table + Data blocks
inode
inode是一个结构体，存放着文件的各种属性。
struct inode
{
//文件大小
//文件的inode编号
//其他属性
int blocks[15] //(0-11是直接索引，12-15是间接索引)
}
- inode与文件名的关系：我们使用文件名去寻找文件，但是linux其实并不认识文件名，它只认识inode号，因此，在每个目录下面<文件名，inode>都有着对映的键值对，可以帮助转化成inode。
- 目录也是文件，也有ionde号，也有data Block。
因此对于一个目录，进入目录需要X（执行）权限，创建文件需要W（写）权限（要写数据块），显示文件名与属性r（读）权限（要读数据块）。
创建文件过程：首先os申请一个inode号，并且为之分配一个数据块，然后更新inode表。完成之后，更新目录的data block。
发现系统还有空间，为什么不能创建文件？
因为inode和data block是固定的。可能是没有ionde号了。
软硬链接
- 硬链接是通过inode引用另外一个文件，引用计数+1，inode号相同，相当于共享一个inode。
- 软链接是通过名字引用另外一个文件，引用计数不变，新inode号，相当于一个新的inode号指向老的inode号，相当于快捷方式。
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