Linux知识点 – 基础IO（三）

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一、理解文件系统

1.磁盘文件

磁盘是永久性存储介质，如：SSD，U盘，光盘，磁带等；磁盘是外设，是我们计算机中唯一的机械设备，因此读取速度很慢；

• 磁盘物理结构：
  
  磁盘中有盘片、磁头、伺服系统、音圈马达等；
  磁盘面上会存储数据，由于计算机只认识二进制，因此用磁极来表示0和1，向磁盘写入，本质就是改变磁盘上的正负极；

• 磁盘存储结构：
  
  
  磁盘中的每一个盘面都分为多个不同的磁道，每个磁道又分为不同的扇区，磁盘的最小存储单元是一个扇区大小是512byte；

• 如何将数据写入指定的扇区？
  这是磁盘的CHS寻址：
  （1）在哪一个面上；
  （2）在哪一个磁道上；
  （3）在哪一个扇区上；

• 磁盘的抽象结构：
  我们将磁盘的磁道展开成为线性结构：
  
  这样来看磁盘的结构就像是一个数组，访问一个扇区，只需要知道这个扇区的数组下标就好；
  我们平常所说的磁盘分区，就是将磁盘分为几个不同的数组：
  
  将数据存储到该磁盘就变成了将数据存储到该数组；
  找到磁盘特定扇区的位置就变成了找到数组特定的位置；
  对磁盘的管理就变成了对数组的管理；

2.文件系统的存储结构

其中一个磁盘分区展开后的结构如下：

其中Blokck group就是用来存储文件的；
Linux在存储文件的时候，将内容和属性分开存储；
虽然磁盘的基本单位是扇区（512字节），但是操作系统（文件系统）和磁盘进行IO的基本单位是4KB（block的大小），因此，磁盘又被称为块设备；
这样设计的原因是：

• IO基本单位设计的太小的话，会导致效率变低；
• 如果OS使用和磁盘一样的基本单位，如果磁盘的基本单位更改了，那么操作系统也需要更改，所以需要对硬件和软件进行解耦；

在Blokck group中，有如下几个分区：

• Super Block：存储整个分区的文件系统的属性信息；并不是每个快组都有SB模块，而是分发在分区中某几个快组中，为的是进行备份，防止丢失；
• Group Descriptor Table(GDT)：块组描述符，描述各个block的信息，如大小，使用情况，有多少inode等；
• Block Bitmap：块组位图，其中的比特位和特定的block是一一对应的，如果该位为1，就表示该block已被占用，否则表示可用；
• Inode Bitmap：inode位图，其中的比特位和特定的inode是一一对应的，如果该位为1，就表示该inode已被占用，否则表示可用；
• Inode Table：inode是一个大小为128字节的空间，保存的是对应文件的属性，是该块组内，所有文件的inode空间的集合；需要标识唯一性，每一个inode块，都需要有一个inode编号，一般而言一个文件一个inode，一个inode编号；
• Data blocks：多个4KB（扇区 * 8）大小的集合，保存的都是特定文件的内容；

格式化：将块组分割成上面的内容，并且写入相关的管理数据，每一个块组都如此操作，整个分区就被写入了文件系统信息；

一个文件可能对应多个block，找到文件，只需找到对应的inode编号，就能找到该文件的inode属性集合，文件内容所占的块组编号也在inode信息中的blocks数组中；

如果文件特别大，一个块组中放不下，需要存放到其他块组中，那么，inode中的blocks数组前m个block存放的是这个文件的数据，数组后面的block存放的是剩下数据存放的block块号，相当于一个间接寻址

3.inode与文件名的关系

• Linux系统寻找文件的过程：
  由文件inode编号 -> 找到特定的bg块组 -> 对应的inode -> 属性 -> 内容；

那我们是如何得到文件的inode编号的？依托于目录结构；
Linux中，文件属性里面，没有文件名这样的说法；

• （1）一个目录下，可以保存很多文件，但是这些文件没有重复的文件名；
• （2）目录也是文件，有自己的inode，有自己的data block；

在Linux系统中存储文件，用户根据文件名创建和区分文件，但是写入系统时，系统只会为文件分配唯一的inode编号，然后建立文件名和inode编号的映射关系表，是一个KV结构，用户提供文件名，OS提供inode编号，所以用户能够通过文件名搜索到文件；

目录的权限：

• 在目录中创建文件必须有写权限，是因为创建文件必须向目录写入该文件的文件名和inode的映射关系；
• 显示文件名和属性必须有目录的读权限，因为要读取到文件的inode，才能读取属性

一个块组中，inode和data blocks的数量都是一定的，存在inode还有，但是block没了；或者inode没了，但是block还有的情况；

二、软硬链接

1、软链接

• 创建软链接：
  
  ln：创建链接；
  -s：软链接；
  ls -i指令能够看出文件的inode：
  
  可以看到，软链接是有独立的inode的，是一个独立的文件；

• 软链接的作用：
  
  在bin/exe目录下的可执行程序test，在现在的目录下建立软链接：
  
  直接运行软链接：
  
  可以看出运行成功；
  软链接的文件内容，是指向对应文件的路径；可以理解为win下的快捷方式；

2.硬链接

• 创建硬链接：
  
  
  可以看出，硬链接文件没有自己独立的inode，这也是软硬链接的本质区别；

• 硬链接的作用：
  
  从上图可以看出，硬链接和原文件属性中的这个数字都为2，这个属性是硬链接数；
  硬链接就相当于给文件起别名，建立了文件名和指定inode的关系；
  当我们删除硬链接指向的文件时，硬链接inode还存在，属性中的硬链接数从2变成了1；
  

硬链接没有独立的inode，不是一个独立的文件，创建硬链接，不是真正的创建新文件，就是在指定目录下，建立了文件名和指定inode的映射关系；
硬链接数就相当于一个引用计数，每创建一个硬链接时，引用计数就加一；当我们删除文件时，并不是把这个文件inode删除了，而是将这个文件的inode引用计数减一，当引用计数为0的时候，才真正删除；

• 硬链接的用途：
  
  新建一个普通文件，硬链接数是1；
  新建一个目录，硬链接数是2；
  
  这是因为目录内部的 . 文件也影射了该目录的inode，两个硬链接，一个是自己的目录名链接inode，另一个是目录内部的 . 文件链接inode；
  
  在test目录下再创建一个目录，可以发现test的硬链接数变为了3，这是因为ss目录中的 … 文件映射上级路径test的inode；

三、动静态库

1.库

• 库中没有main函数；
• 如果我只把.o和.h文件给别人，是可以使用的；
• 静态库后缀为：.a；
• 动态库后缀为：.so；

2.生成静态库

生成的.o文件给别人是直接可以使用的，但是很麻烦；


静态库的生成过程就是把.o文件打包的过程；

• ar：归档文件；

• -r：替换；

• -c：创建；

• libhello.a：静态库文件，必须以lib开头，.a结尾；

• 使用makefile实现自动打包：
  

• 库的发布：
  库的发布文件夹里需要有两个子文件夹：
  -inlcude：保存库的独有头文件；
  -lib：保存对应的库文件；
  在makefile中完成自动化创建：
  
  
  

3.静态库的使用

• （1）拷贝库文件到系统目录下：
  gcc头文件的默认搜索路径是：/usr/include
  gcc头库件的默认搜索路径是：/lib64 or /usr/lib64
  
  这时main函数中不会报错，但是编译时会报错，因为这是我们自己提供的第三方库，必须要告知C语言我们需要连接哪个库；
  
  -l库名：指定链接库（没有空格），真正的库名是去掉前缀lib和后缀的；
  运行结果：
  
  但是这种方法会污染官方库，不建议使用；

• （2）让GCC在指定目录下搜索头文件和库：
  
  -I 目录：在指令目录下搜索头文件；
  -L 目录：在指定目录下搜索库文件；
  由于该目录下可能有多个库文件，因此需要指定库文件；
  
  

4.生成动态库

-fPIC：生成一个与位置无关的目标二进制文件；

-shared：制作动态库，而不是可执行程序；

• 用makefile实现：
  
  动静态库一起生成，并发布output文件夹；
  
  
  打包库：
  

5.使用动态库

从上面看出，直接使用gcc指定头文件和库文件的方法来加载动态库，能够编译过，但是无法运行程序，使用ldd命令查看动态链接时，发现libhello.so动态库链接找不到；
ldd 可执行程序：查看该程序的动态链接；
我们发现gcc是默认动态链接的，但是没有链接上；
前面静态库是因为只有静态库，gcc只能静态链接：

使用静态库时就没有链接libhello.so；
-static：摒弃默认优先使用动态库的原则，直接使用静态库的方案；

在上面我们已经制定了动态库的路径，动态库还是无法链接，这是因为我们是给gcc指定的链接，这和动态库的加载过程有关；

• 动态库的加载过程：
  动态库是一个独立的库文件，动态库和可执行程序，是可以分配加载的；
  静态库的加载是直接将库代码加载到了内存里面，直接进入进程的代码区；
  动态库是可以分批加载的，在将可执行程序加载到内存后，可执行程序中是有对应的库链接信息的；
  在编译链接时，需要加载库时，就可以加载动态库了，是分开进行的，这时再将动态库代码加载到内存中，在页表建立库代码与共享区的联系；
  在代码区函数跳转访问库函数的时候，直接跳转到共享区，根据页表找到内存中的库代码去执行；
  

• 方法一：添加环境变量
  我们上面指定动态库路径是给gcc指定的，动态库是运行时加载的，这时就与gcc没有关系了，需要给系统说；
  
  $LD_LIBRARY_PATH是系统环境变量，加载库的路径；
  库的绝对路径：
  
  导入环境变量：
  
  运行可执行程序：
  
  这种方法的缺点是：退出登陆后，环境变量会丢失，因为这是内存级的环境变量，只能做一个临时方案；

• 方法二：修改配置文件
  
  这个路径中包含自定义搜索库路径的永久解决方案；
  
  直接创建文件，然后将目录放进该文件中；
  
  
  更新系统权限：
  
  运行：
  
  

• 方法三：在系统目录下建立软链接
  
  运行：
  

6.为什么要有库

• 站在使用者的角度：
  库的存在，可以大大减少我们的开发周期，提高软件本身的质量；
• 站在开发库的角度：
  简单，且能够保证代码安全；