1. Linux 系统如何管理文件

1.1 静态文件与inode

文件没有被打开的情况下一般都是存放在磁盘中的，并且以一种固定的形式进行存放，这时称为静态文件。文件存储在硬盘上，硬盘的最小存储单元叫做扇区，每个扇区大小是 512 字节， 相当于 0.5k。操作系统读取硬盘的时候不会一个个扇区的读取，而是一次读取多个扇区，也就是一个块， 通常是 4k，也就是 8 个扇区。将磁盘进行分区格式化的时候会分为数据区和 inode 区，inode 区存放 inode 表，该表中存放着 inode 节点，每个节点都是一个结构体，包含着对应文件的属性信息。所以查找文件时，先根据文件名找到对应的 inode 编号，然后找到对应的表，最后查找相关信息，读取数据。

1.2 文件打开时的状态

调用 open 打开文件的时候，内核会申请一段内存，将数据读取到内存中进行管理，也就是动态文件。对动态文件进行读写操作时，和静态文件不会同步，数据的同步由内核完成，内核会在之后将内存这份动态文件同步到磁盘中。静态文件有多个块，一个块有多个扇区，一个扇区有多个字节，所以对静态文件操作时需要反复读写块，而内存可以直接一个字节一个字节的改动，所以速率较快。
在 Linux 系统中，内核会有一个专门的数据结构管理一个进程，叫做 PCB。该结构体中有一个指针指向了文件描述符表，而文件描述符表中的每一个元素对应文件表，文件表存放着文件的相关信息。

2. 返回错误处理与errno

当发生错误时，操作系统会将错误对应的编号赋值给 errno 变量，每个进程都有一个自己的 errno 全局变量

2.1 strerror 函数

#include <string.h>
char *strerror(int errnum);	// 参数就是对应的errno，返回对应错误编号的字符串描述信息

2.2 perror 函数

#include <stdio.h>
void perror(const char *s);	// 参数可以传递自己想要的信息，然后错误描述就会打印在s之后

3. 空洞文件

lseek 函数还允许文件偏移量超出文件长度，也就是文件末尾还可以向后偏移。比如一个文件只有 4096k，此时在文件头部向后偏移 6000 字节，然后在这里写入数据，那么 4096 ~ 6000 这部分就是空洞。文件空洞部分不会占用任何物理空间，但是空洞文件形成时，逻辑上该文件的大小是包含了空洞部分的大小的。 文件空洞在多线程共同操作文件时有很大作用，可以将文件分段，不同线程在不同空洞部分写入数据。

4. O_APPEND 和 O_TRUNC

O_TRUNC 会将文件原本的内容清除，然后再写入数据，而O_APPEND 是在文件末尾写入数据。

5. 多次打开同一个文件

一个进程内多次打开一个文件，那么会得到多个不同的文件描述符，同理在关闭的时候需要依次关闭对应的文件描述符。而且在内存中不会存在多份动态文件，不同文件描述符对应的读写位置偏移量是相互独立的。因为位置偏移量是相互独立的，所以对不同的文件描述符读写时，是分别进行读写。使用 open 函数打开文件时，默认是覆盖式写入，也就是说当分别进行写入操作时，后续写入数据时会先将文件清空再写入。 不同的文件描述符就对应不同的文件表，而位置偏移量就保存在文件表中，但是文件表中的 inode 指针指向的都是同一个 inode。
同样，多个不同的进程打开同一个文件，在内存中也只是维护一份动态文件，多个进程间共享，有各自独立的文件读写位置偏移量。当文件的引用计数为 0 时，系统会自动关闭文件。

6. 复制文件描述符

在 Linux 系统中，open 得到的文件描述符可以进行复制，新的文件描述符也可以对旧文件描述符指向的文件进行操作，拥有相同的权限。但是新的文件描述符和旧的文件描述符指向的文件表是同一个

6.1 dup

#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);	// 成功返回由系统分配的新的文件描述符，失败返回-1

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
    int fd1=open("./text.txt",O_CREAT|O_RDWR,0777);
    int fd2=dup(fd1);
    write(fd1,"hello ",6);
    write(fd2,"world!",6);
    return 0;
}

6.2 dup2

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd,int newfd);	// 成功返回newfd，失败返回-1

int main()
{
    int fd1=open("./text.txt",O_CREAT|O_RDWR,0777);
    int fd2=dup2(fd1,9);	// 可以指定文件描述符
    write(fd1,"hello ",6);
    write(fd2,"world!",6);
    cout << fd2<<endl;
    return 0;
}

7. 文件共享

7.1 同一个进程中多次调用 open 函数打开同一个文件

会得到同一个文件的不同文件描述符，并且多个文件描述符对应多个不同的文件表，所有的文件表指向同一个 inode 节点

7.2 不同进程分别使用 open 函数打开同一个文件

7.3 同一个进程中对文件描述符进行复制

8. 原子操作与竞争冒险

当两个独立的进程对同一个文件进行操作时，因为此时文件是共享的，如果当一个进程的操作未完成时，另一个进程就对文件进行操作就会发生竞争冒险。所以就有了原子操作。原子操作是指一个任务要么不做，要么做完。
O_APPEND、pread() 和 pwrite()、创建文件都是可以实验原子操作的。

8.1 O_APPEND

两个进程都向文件中写入数据，后一个进程会覆盖前一个进程写入的内容，就需要使用该标志

8.2 pread 和 pwrite

这两个函数可传入一个位置偏移量，用于指定文件当前读写的位置偏移量。但是不更新文件表中当前位置偏移量，就是说在当前位置 0 调用这两个函数时如果设置 offset 为1024，然后再调用 lseek 获取当前位置，发现依旧是 0

#include <unistd.h>
ssize_t pread(int fd, void *buf, size_t count, off_t offset);
ssize_t pwrite(int fd, const void *buf, size_t count, off_t offset);

8.3 创建一个文件

如果两个进程都会创建同一个文件，就需要使用 O_EXCL，如果要打开的文件已经存在，就 open 失败，如果不存在，就创建这个文件

9. fcntl 和 ioctl

9.1 fcntl

fcntl 函数可以对一个已经打开的文件描述符执行一系列控制操作

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd,.../* arg */);
/* cmd:操作命令，表示我们将对fd进行什么操作
 * F_DUPFD  或  F_DUPFD_CLOEXEC	:复制文件描述符
 * F_GETFD  或  F_SETFD			:获取/设置文件描述符标志
 * F_GETFL  或  F_SETFL			:获取/设置文件状态标志
 * F_GETOWN 或  F_SETOWN		:获取/设置异步IO所有权
 * F_GETLK  或  F_SETLK			:获取/设置记录锁
 * /
// 第三个参数根据cmd来传入对应的实参
// 返回值是失败返回-1，成功根据cmd有不同的返回值

复制文件描述符

int main()
{
	int fd1=open("./test.txt",O_CREAT|O_RDONLY,0777);
	int fd2=fcntl(fd1,F_DUPFD,0);// 如果传入的第三个参数已经被使用，就返回一个比0大的可使用的文件描述符，否则就返回第三个参数
	cout << fd2 << endl;
	return 0;
}

获取/设置文件状态标志

int main()
{
	int fd1=open("./test.txt",O_CREAT|O_RDWR,0777);
	int flag=fcntl(fd,F_GETFL);
	int fd2=fcntl(fd1,F_SETFL,flag|O_APPEND);
	cout << fd2 << endl;
	return 0;
}

F_GETFL 成功时返回状态标志，F_SETFL 的第三个参数表示需要设置的状态标志。但是文件权限标志（O_RDONLY、 O_WRONLY、 O_RDWR）以及文件创建标志（O_CREAT、O_EXCL、 O_NOCTTY、 O_TRUNC）不能被设置，只有 O_APPEND、 O_ASYNC、O_DIRECT、 O_NOATIME 以及 O_NONBLOCK 这些标志可以被修改

9.2 ioctl

可以认为是文件 IO 操作的杂物箱，一般用于操作特殊文件或硬件外设，比如获取 LCD 相关信息等，这里只是介绍以下

#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, unsigned long request,...);
// request 表示向文件描述符请求相应的操作，第三个可变参数根据request设置

10. 截断文件

使用系统调用 truncate() 或 ftruncate()可将普通文件截断为指定字节长度

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int truncate(const char *path, off_t length);
int ftruncate(int fd, off_t length);// 使用前必须open，并且有可写权限

先创建两个文件，这时文件大小都是0字节

向文件中插入数据，改变文件大小

int main()
{
    int fd1=open("./file1",O_RDWR);
    char buffer1[4096]={0};
    char buffer2[2048]={0};
    write(fd1,buffer1,sizeof(buffer1));
    write(open("./file2",O_RDWR),buffer2,sizeof(buffer2));
    return 0;
}

截断文件，发现文件大小改变了

int main()
{
    int fd1=open("./file1",O_RDWR);
    char buffer1[4096]={0};
    char buffer2[2048]={0};
    write(fd1,buffer1,sizeof(buffer1));
    write(open("./file2",O_RDWR),buffer2,sizeof(buffer2));
    ftruncate(fd1,1024);
    truncate("./file2",2048);
    return 0;
}