第三课 文件系统(上)

Posted 2020-08-31

unix_c_03.txt
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第三课 文件系统(上)
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一、系统调用
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应用程序 -----------+
| |
v |
各种库 |
(C/C++标准库、Shell命令和脚本、 |
X11图形程序及库) |
| |
v |
系统调用 <----------+
(内核提供给外界访问的接口函数，
调用这些函数将使进程进入内核态)
|
v
内核
(驱动程序、系统功能程序)
1. Unix/Linux大部分系统功能是通过系统调用实现的。
如open/close。
2. Unix/Linux的系统调用已被封装成C函数的形式，
但它们并不是标准C的一部分。
3. 标准库函数大部分时间运行在用户态，
但部分函数偶尔也会调用系统调用，进入内核态。
如malloc/free。
4. 程序员自己编写的代码也可以调用系统调用，
与操作系统内核交互，进入内核态。
如brk/sbrk/mmap/munmap。
5. 系统调用在内核中实现，其外部接口定义在C库中。
该接口的实现借助软中断进入内核。
time命令：测试运行时间
real : 总执行时间
user : 用户空间执行时间
sys : 内核空间执行时间
strace命令：跟踪系统调用
二、一切皆文件
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1. Linux环境中的文件具有特别重要的意义，
因为它为操作系统服务和设备，
提供了一个简单而统一的接口。
在Linux中，(几乎)一切皆文件。
2. 程序完全可以象访问普通磁盘文件一样，
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访问串行口、网络、打印机或其它设备。
3. 大多数情况下只需要使用五个基本系统调用：
open/close/read/write/ioctl，
即可实现对各种设备的输入和输出。
4. Linux中的任何对象都可以被视为某种特定类型的文件，
可以访问文件的方式访问之。
5. 广义的文件
1) 目录文件
# vim day01
2) 设备文件
A. 控制台：/dev/console
B. 声卡：/dev/audio
C. 标准输入输出：/dev/tty
D. 空设备：/dev/null
例如：
# cat /dev/tty
Hello, World !
Hello, World !
# echo Hello, World ! > /dev/tty
Hello, World !
# echo Hello, World ! > test.txt
# cat test.txt
Hello, World !
# cat /dev/null > test.txt
# cat test.txt
# find / -name perl 2> /dev/null
三、文件相关系统调用
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open - 打开/创建文件
creat - 创建空文件
close - 关闭文件
read - 读取文件
write - 写入文件
lseek - 设置读写位置
fcntl - 修改文件属性
unlink - 删除硬链接
rmdir - 删除空目录
remove - 删除硬链接(unlink)或空目录(rmdir)
注意：
1. 如果被unlink/remove删除的是文件的最后一个硬链接，
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并且没有进程正打开该文件，
那么该文件在磁盘上的存储区域将被立即标记为自由。
反之，如果有进程正打开该文件，
那么该文件在磁盘上的存储区域，
将在所有进程关闭该文件之后被标记为自由。
a -> +-----+
X b -> | ... |
X c -> +-----+
2. 如果被unlink/remove删除的是一个软链接文件，
那么仅软链接文件本身被删除，其目标不受影响。
+-----+
a -> | ... |
+-----+
+-----+
X b -> | a |
+-----+
+-----+
X c -> | a |
+-----+
四、文件描述符
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1. 非负的整数。
2. 表示一个打开的文件。
3. 由系统调用(open)返回，
被内核空间(后续系统调用)引用。
4. 内核缺省为每个进程打开三个文件描述符：
0 - 标准输入
1 - 标准输出
2 - 标准出错
在unistd.h中被定义为如下三个宏：
#define STDIN_FILENO 0
#define STDOUT_FILENO 1
#define STDERR_FILENO 2
范例：redir.c
# a.out 0<i.txt 1>o.txt 2>e.txt
5. 文件描述符的范围介于0到OPEN_MAX之间，
传统Unix中OPEN_MAX宏被定义为63，
现代Linux使用更大的上限。
五、open/creat/close
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#include <fcntl.h>
int open (
const char* pathname, // 路径
int flags, // 模式
mode_t mode // 权限(仅创建文件有效)
); // 创建/读写文件时都可用此函数
int creat (
const char* pathname, // 路径
mode_t mode // 权限
); // 常用于创建文件
int open (
const char* pathname, // 路径
int flags // 模式
); // 常用于读写文件
成功返回文件描述符，失败返回-1。
flags为以下值的位或：
O_RDONLY - 只读。\
|
O_WRONLY - 只写。 > 只选一个
|
O_RDWR - 读写。/
O_APPEND - 追加。
O_CREAT - 创建，不存在即创建(已存在即直接打开，
并保留原内容，除非...)，
有此位mode参数才有效。
O_EXCL - 排斥，已存在即失败。\
> 只选一个，
O_TRUNC - 清空，已存在即清空 / 配合O_CREAT使用
(有O_WRONLY/O_RDWR)。
O_NOCTTY - 非控，若pathname指向控制终端，
则不将该终端作为控制终端。
O_NONBLOCK - 非阻，若pathname指向FIFO/块/字符文件，
则该文件的打开及后续操作均为非阻塞模式。
O_SYNC - 同步，write等待数据和属性，
被物理地写入底层硬件后再返回。
O_DSYNC - 数同，write等待数据，
被物理地写入底层硬件后再返回。
O_RSYNC - 读同，read等待对所访问区域的所有写操作，
全部完成后再读取并返回。
O_ASYNC - 异步，当文件描述符可读/写时，
向调用进程发送SIGIO信号。
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open/creat所返回的一定是当前未被使用的，
最小文件描述符。
一个进程可以同时打开的文件描述符个数，
受limits.h中定义的OPEN_MAX宏的限制，
POSIX要求不低于16，传统Unix是63，现代Linux是256。
#include <unistd.h>
int close (
int fd // 文件描述符
);
成功返回0，失败返回-1。
范例：open.c
操作系统可通过权限掩码(当前为0022)，
屏蔽程序所创建文件的某些权限位。如：
0666 (rw-rw-rw-) & ~0022 = 0644 (rw-r--r--)
creat函数是通过调用open实现的。
int creat (const char* pathname, mode_t mode) {
return open (pathname,
O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode);
}
六、write
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#include <unistd.h>
ssize_t write (
int fd, // 文件描述符
const void* buf, // 缓冲区
size_t count // 期望写入的字节数
);
成功返回实际写入的字节数，失败返回-1。
size_t: unsigned int，无符号整数
ssize_t: int，有符号整数
范例：write.c
七、read
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#include <unistd.h>
ssize_t read (
int fd, // 文件描述符
void* buf, // 缓冲区
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size_t count // 期望读取的字节数
);
成功返回实际读取的字节数，失败返回-1。
范例：read.c
二进制读写和文本读写。
范例：binary.c、text.c
练习：带覆盖检查的文件复制。
代码：copy.c
八、系统I/O与标准I/O
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1. 当系统调用函数被执行时，需要切换用户态和内核态，
频繁调用会导致性能损失。
2. 标准库做了必要的优化，内部维护一个缓冲区，
只在满足特定条件时才将缓冲区与系统内核同步，
借此降低执行系统调用的频率，
减少进程在用户态和内核态之间来回切换的次数，
提高运行性能。
范例：sysio.c、stdio.c
# time ./sysio
real 0m17.442s
user 0m0.000s
sys 0m0.284s
# time ./stdio
real 0m0.056s
user 0m0.000s
sys 0m0.009s
九、lseek
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1. 每个打开的文件都有一个与其相关的“文件位置”。
2. 文件位置通常是一个非负整数，
用以度量从文件头开始计算的字节数。
3. 读写操作都从当前文件位置开始，
并根据所读写的字节数，增加文件位置。
4. 打开一个文件时，除非指定了O_APPEND，
否则文件位置一律被设为0。
5. lseek函数仅将文件位置记录在内核中，
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并不引发任何I/O动作。
6. 在超越文件尾的文件位置写入数据，
将在文件中形成空洞。
7. 文件空洞不占用磁盘空间，但被算在文件大小内。
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek (
int fd, // 文件描述符
off_t offset, // 偏移量
int whence // 起始位置
);
成功返回当前文件位置，失败返回-1。
whence取值：
SEEK_SET - 从文件头
(文件的第一个字节)。
SEEK_CUR - 从当前位置
(上一次读写的最后一个字节的下一个位置)。
SEEK_END - 从文件尾
(文件的最后一个字节的下一个位置)。
范例：seek.c
思考：既然lseek系统调用相当于标C库函数fseek，
那么是否存在与标C库函数ftell相对应的系统调用？
不存在，
因为通过lseek(fd,0,SEEK_CUR)就可以获得当前文件位置。
思考：如何获取文件的大小？
通过lseek(fd,0,SEEK_END)可以获得文件的大小。
十、打开文件的内核数据结构
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通过ls -i可查看文件的i节点号。
i节点记录了文件的属性和数据在磁盘上的存储位置。
目录也是文件，存放路径和i节点号的映射表。
图示：open.bmp
范例：bad.c
十一、dup/dup2
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#include <unistd.h>
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int dup (int oldfd);
int dup2 (int oldfd, int newfd);
成功返回文件描述符oldfd的副本，失败返回-1。
1. 复制一个已打开的文件描述符。
2. 返回的一定是当前未被使用的最小文件描述符。
3. dup2可由第二个参数指定描述符的值。
若指定描述符已打开，则先关闭之。
4. 所返回的文件描述符副本，
与源文件描述符，对应同一个文件表。
图示：dup.bmp
范例：dup.c
注意区分通过dup获得的文件描述符副本，
和两次open同一个文件的区别：
dup只复制文件描述符，不复制文件表。
fd1 \
> 文件表 -> v节点 -> i节点
fd2 /
open创建新文件表，并为其分配新文件描述符。
fd1 -> 文件表1 \
> v节点 -> i节点
fd2 -> 文件表2 /
图示：same.bmp
范例：same.c
作业：学生管理系统登录模块。
注册 - 增加用户名和密码，
登录 - 验证用户名和密码，
用户信息保存在文件中。
代码：mis.c
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