基礎IO學習筆記(open等系統呼叫、inode、檔案理解)

阿新 • • 發佈：2018-12-16

一.系統呼叫介面open、close、write、read

1.open

在這裡插入圖片描述 引數解析：

pathname:要開啟或要建立的目標檔案
flags:下面的一個或多個常量進行"或"運算

O_RDONLY 只讀
O_WRONLY 只寫
O_RDWR   讀寫開啟
O_CRWAT  檔案不存在建立它
O_APPEND 追加寫

返回值：成功返回新開啟的檔案描述符，失敗返回-1

2.close

在這裡插入圖片描述

引數說明：

fd為要關閉檔案的檔案描述符

返回值： 關閉成功返回0，關閉失敗返回-1

3.read

在這裡插入圖片描述

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

在這裡插入圖片描述 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.檔案描述符

open函式的返回值就是檔案描述符，檔案描述符就是一個小的整數

1.預設開啟的檔案描述符

Linux系統預設會有3個預設開啟的檔案描述符，分別是標準輸入0

、標準輸出1、標準錯誤2。
0、1、2分別對應的物理裝置是：鍵盤、顯示器、顯示器、

2.檔案描述符實質(file_struct)

在這裡插入圖片描述當我們開啟檔案時，作業系統在記憶體中要建立相應的資料結構來描述目標檔案，file_struct就是這個資料結構，程序執行open系統呼叫，必須讓程序和檔案關聯起來。每個程序都有一個file*指標，指向一張表file_struct,該表包括一個指標陣列，每個元素都是一個指向開啟檔案的指標。本質上，檔案描述符就是該陣列的下標

3.檔案描述符分配規則

在file_struct陣列中，找到當前沒有被使用的最小的一個下標，作為新的檔案描述符

4.重定向本質

a.輸出重定向>
b.輸入重定向<
c.追加重定向>> 把本來要輸出到顯示屏的訊息輸出到檔案

我們可以把1號描述符對於的檔案(標準輸出)關了，在開啟一個檔案，分配的檔案描述符必然是1，這樣就可以達到把本來要輸到顯示屏的訊息列印到檔案中

三.FILE

因為IO相關函式與系統呼叫介面對應，並且庫函式封裝系統呼叫。所以，本質上，訪問檔案是通過fd訪問的
所以c庫當中的FILE結構體內部，必定封裝了fd。
printf和fwrintf庫函式自帶緩衝區，write系統呼叫介面沒有緩衝區，說明緩衝區是C庫提供的

緩衝區分為三種:

a.無緩衝
b.行緩衝(按行重新整理)
c.全緩衝(緩衝區寫滿才重新整理)

顯示器一般是行緩衝，而普通檔案是全緩衝

四.inode(理解檔案系統)

1.什麼是inode？

inode是一個重要概念，是理解Unix/Linux檔案系統和硬碟儲存的基礎。理解inode，要從檔案儲存說起。檔案儲存在硬碟上，硬碟的最小儲存單位叫做”扇區”（Sector）。每個扇區儲存512位元組（相當於0.5KB。作業系統讀取硬碟的時候，不會一個個扇區地讀取，這樣效率太低，而是一次性連續讀取多個扇區，即一次性讀取一個”塊”（block）。這種由多個扇區組成的”塊”，是檔案存取的最小單位。”塊”的大小，最常見的是4KB，即連續八個 sector組成一個 block。檔案資料都儲存在”塊”中，那麼很顯然，我們還必須找到一個地方儲存檔案的源資訊，比如檔案的建立者、檔案的建立日期、檔案的大小等等。這種儲存檔案源資訊的區域就叫做inode，中文譯名為”索引節點”。每一個檔案都有對應的inode，裡面包含了與該檔案有關的一些資訊。

2.inode的內容

檔案的位元組數
檔案擁有者的User ID
檔案的Group ID
檔案的讀、寫、執行許可權
檔案的時間戳，共有三個：ctime指inode上一次變動的時間，mtime指檔案內容上一次變動的時間，atime指檔案上一次開啟的時間。
連結數，即有多少檔名指向這個inode
檔案資料block的位置 我們可以用stat命令檢視這些資訊：
Access:最後訪問時間
Modify:檔案內容最後修改時間
Change:檔案屬性最後修改時間

除了檔名以外的所有檔案資訊，都存在inode之中

3.inode的大小

inode也會消耗硬碟空間，所以硬碟格式化的時候，作業系統自動將硬碟分成兩個區域。一個是資料區，存放檔案資料；另一個是inode區（inode table），存放inode所包含的資訊。每個inode節點的大小，一般是128位元組或256位元組。inode節點的總數，在格式化時就給定，一般是每1KB或每2KB就設定一個inode。假定在一塊1GB的硬碟中，每個inode節點的大小為128位元組，每1KB就設定一個inode，那麼inode table的大小就會達到128MB，佔整塊硬碟的12.8%。在這裡插入圖片描述 檢視每個硬碟分割槽的inode總數和已經使用的數量，可以使用df命令。

檢視每個inode節點的大小，可以用如下命令：

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

由於每個檔案都必須有一個inode，因此有可能發生inode已經用光，但是硬碟還未存滿的情況。這時，就無法在硬碟上建立新檔案。

4.inode號碼

每個inode都有一個號碼，作業系統用inode號碼來識別不同的檔案。這裡值得重複一遍，Unix/Linux系統內部不使用檔名，而使用inode號碼來識別檔案。對於系統來說，檔名只是inode號碼便於識別的別稱或者綽號。表面上，使用者通過檔名，開啟檔案。實際上，系統內部這個過程分成三步：首先，系統找到這個檔名對應的inode號碼；其次，通過inode號碼，獲取inode資訊；最後，根據inode資訊，找到檔案資料所在的block，讀出資料。使用ls -i命令，可以看到檔名對應的inode號碼：在這裡插入圖片描述

5.目錄檔案

Unix/Linux系統中，目錄（directory）也是一種檔案。開啟目錄，實際上就是開啟目錄檔案。目錄檔案的結構非常簡單，就是一系列目錄項（dirent）的列表。每個目錄項，由兩部分組成：所包含檔案的檔名，以及該檔名對應的inode號碼。 目錄檔案的讀許可權（r）和寫許可權（w），都是針對目錄檔案本身。由於目錄檔案內只有檔名和inode號碼，所以如果只有讀許可權，只能獲取檔名，無法獲取其他資訊，因為其他資訊都儲存在inode節點中，而讀取inode節點內的資訊需要目錄檔案的執行許可權（x）。

6.軟硬連結

a.硬連線

一般情況下，檔名和inode號碼是”一一對應”關係，每個inode號碼對應一個檔名。但是，Unix/Linux系統允許，多個檔名指向同一個inode號碼。這意味著，可以用不同的檔名訪問同樣的內容；對檔案內容進行修改，會影響到所有檔名；但是，刪除一個檔名，不影響另一個檔名的訪問。這種情況就被稱為”硬連結”（hard link）。

建立硬連結： ln 原始檔目標檔案 在這裡插入圖片描述

檔案和目錄的硬連結數

file1和hard_link檔案的連結狀態完全相同，它們被稱為指向檔案的硬連結，核心記錄了這個連結數，inode為2667318的硬連結數為2
在刪除檔案的時候，，將目錄中對於記錄刪除，然後將硬連結數減1，如果硬連結數減為0，表明沒有檔名指向這個inode，系統就會回收這個inode號碼，以及其所對應block區域。
目錄檔案的硬連結數:建立目錄時，預設會生成兩個目錄項：”.”和”..”。前者的inode號碼就是當前目錄的inode號碼，等同於當前目錄的”硬連結”；後者的inode號碼就是當前目錄的父目錄的inode號碼，等同於父目錄的”硬連結”。所以，任何一個目錄的”硬連結”總數，總是等於2加上它的子目錄總數（含隱藏目錄）。

b.軟連線

硬連結是通過inode引用另外一個檔案，軟連線是通過名字引用另外一個檔案。 檔案A和檔案B的inode號碼雖然不一樣，但是檔案A的內容是檔案B的路徑。讀取檔案A時，系統會自動將訪問者導向檔案B。因此，無論開啟哪一個檔案，最終讀取的都是檔案B。這時，檔案A就稱為檔案B的”軟連結”（soft link）或者”符號連結（symbolic link）。這意味著，檔案A依賴於檔案B而存在，如果刪除了檔案B，開啟檔案A就會報錯：”No such file or directory”。這是軟連結與硬連結最大的不同：檔案A指向檔案B的檔名，而不是檔案B的inode號碼，檔案B的inode”連結數”不會因此發生變化。

建立軟連結：ln -s 原始檔或目錄目標檔案或目錄 在這裡插入圖片描述

7.inode的特殊作用(軟體更新)

由於inode號碼與檔名分離，這種機制導致了一些Unix/Linux系統特有的現象。

有時，檔名包含特殊字元，無法正常刪除。這時，直接刪除inode節點，就能起到刪除檔案的作用。
移動檔案或重新命名檔案，只是改變檔名，不影響inode號碼。
開啟一個檔案以後，系統就以inode號碼來識別這個檔案，不再考慮檔名。因此，通常來說，系統無法從inode號碼得知檔名。

第3點使得軟體更新變得簡單，可以在不關閉軟體的情況下進行更新，不需要重啟。因為系統通過inode號碼，識別執行中的檔案，不通過檔名。更新的時候，新版檔案以同樣的檔名，生成一個新的inode，不會影響到執行中的檔案。等到下一次執行這個軟體的時候，檔名就自動指向新版檔案，舊版檔案的inode則被回收。

軟硬連結的區別：

有無獨立的inode。
硬連結是通過inode引用另外一個檔案，軟連線是通過名字引用另外一個檔案。