01. C/系統調用文件操作
C/系統調用文件操作
02. 文件系統(ext2)結構
Linux ext2文件系統，上圖為磁盤文件系統圖（內核內存映像肯定有所不同），磁盤是典型的塊設備，硬盤分區被劃分為一個個的block。一個塊的大小(有1MB,2MB或4MB)是由格式化的時候確定的，并且不可以更改。而上圖中啟動塊引導快的大小是確定的。每個塊組都有著相同的結構組成。
超級塊和塊組描述符表 會在多個塊組中備份，以提高容錯能力。其余結構（數據塊位圖、inode 位圖、inode 表、數據塊）是每個塊組獨立管理的。
文件訪問：
- 通過目錄數據塊找到文件名對應的inode
- 從inode表中讀取inode號，在文件混合索引內找到獲取數據塊指針
- 根據指針訪問文件內容
文件創建：
- 在位示圖找到為o的inode分配并寫入inode表
- 在文件數據塊找到空閑塊分配給它
- 更新數據塊，并添加文件名和inode的映射關系
文件刪除：
- 位示圖和數據塊位圖置0，并在目錄數據塊刪除此二元關系
2.1 文件物理結構
2.1.1 連續分配
文件存儲在物理上連續的磁盤塊上，通過始址和長度(磁盤所占塊數)定位。
特點：
- 順序訪問高效：磁頭移動少，適合順序讀寫（如視頻流）。
- 有外部碎片，擴展困難(文件動態增長與增刪)
2.1.2 鏈接分配
文件分散存儲在磁盤塊上，每塊包含指向下一塊的指針(鏈式結構)。鏈接分配有隱式鏈接和顯示鏈接(FAT)兩種
隱式鏈接特點：
- 無外部碎片，能動態擴展(增刪)。
- 指針占用塊空間，訪問第
i塊必須從表頭遍歷鏈表
文件分配表（FAT）：集中存儲塊鏈接關系，避免塊內指針開銷，但需將FAT常駐內存以提高性能。
2.1.3 索引分配
為每個文件創建索引塊，存儲其所有數據塊的地址。
特點：
- 支持隨機訪問：直接通過索引定位任意塊。
- 無外部碎片：靈活分配空間。
2.2 超級塊
存放文件系統本身的結構信息。記錄的信息主要有：bolck 和 inode的總量，未使用的block和inode的數量，一個block和inode的大小，最近一次掛載的時間，最近一次寫入數據的時間，最近一次檢驗磁盤的時間等其他文件系統的相關信息。Super Block的信息被破壞，可以說整個文件系統結構就被破壞了
struct ext2_super_block {__le32 s_inodes_count; /* 索引節點總數 */__le32 s_blocks_count; /* 塊總數 */__le32 s_r_blocks_count; /* 保留的塊數 */__le32 s_free_blocks_count; /* 空閑塊計數器 */__le32 s_free_inodes_count; /* 空閑索引節點計數器 */__le32 s_first_data_block; /* 第一個數據塊的塊號，總是為1 */...__le32 s_first_meta_bg; /* 第一個元塊組 */__u32 s_reserved[190]; /* 填充到塊的末尾 */
};
2.3 塊組描述符表
描述塊組屬性信息
2.4 位示圖
塊組中 Inode 的分配狀態（已用/空閑）
struct ext2_inode {__le16 i_mode; /* 文件類型和訪問權限，查看S_ISREG()等函數 */__le16 i_uid; /* 所有者 Uid 的低 16 位，擁有者id */// 文件長度，最高位沒使用，最大表示2GB文件，大于2GB文件再使用i_dir_acl字段__le32 i_size; /* 大小（字節） */__le32 i_atime; /* 訪問時間 */__le32 i_ctime; /* 索引節點創建時間 */__le32 i_mtime; /* 文件數據最后改變時間 */__le32 i_dtime; /* 刪除時間 */__le16 i_gid; /* 組 ID 的低 16 位，用戶組id */__le16 i_links_count; /* 硬鏈接計數 */
...
};
2.5 文件描述符fd
fd是操作系統中用于標識和訪問已打開文件或I/O資源的整數標識符。存放
- 每個進程的
task_struct包含一個files_struct結構，內部維護一個 fd 數組 file*fd_array[]中存放多個file*- 數組索引(下標)即為
fd，數組內部元素指向內核中的file對象
在file*fd_array[]中下標為0、1、2分別預留給stdin，stdout，stderr，所以新分配的原則是選擇未使用最小的開始分配。使用close()即可釋放任意已分配的fd，進程結束未關閉的fd由內核自動回收。
2.6 重定向
fgets是語言層面的讀取函數，其底層也是用了系統標準輸入接口。其中寫死了只能對0號文件描述符進行讀取操作。而現在上邊的代碼將0號文件描述符給了新的文件。故該程序將讀出log.txt文件中的內容。這里完成了輸入重定向。
系統調用實現重定向：
int dup2(int oldfd, int newfd);
oldfd：要被復制已打開的fd
newfd：新的描述符編號
返回值：成功返回 newfd，失敗返回 -1 并設置 errno。
讓oldfd的值變為newfd旳值，效果等同于上面先將fd=1指向的stdout關閉，然后再將fd=1分配給新打開的文件。
如：dup2(fd,1)將原本向顯示器輸出的內容輸出到fd指向的文件中。
2.7 inode
存儲文件或目錄的元數據（不包括文件名）
注:
- 在Unix文件系統中，每個文件必須對應一個inode結點，而 inode結點的總數量是有上限的。如:僅用8KB作為inode區,假設每個inode大小為64B，則該文件系統最多只能存儲8KB/64B=128個 inode結點，相應地，該系統最多只能支持128個文件。
- 當一個進程通過open系統調用打開某個文件時，操作系統需要將該文件對應的 inode結點讀入主存。
2.8 數據塊
- 作用：存儲文件的實際內容或目錄的結構信息。
- 類型：
- 文件數據塊：存儲普通文件的實際內容（如文本、圖片等）。
- 目錄數據塊：存儲該目錄下的條目（文件名 + Inode 號）。
- 符號鏈接數據塊：若鏈接路徑較短，直接存儲在 Inode 中；較長時占用數據塊。
- 特殊文件：如設備文件（/dev/sda）的元數據存儲在 Inode 中，無需數據塊。
文件數據塊:
當一個文件過大時，則需要多個塊儲存數據。
目錄文件數據塊:
存放的是目錄下文件名和inode的二元映射關系。
2.9 緩沖區
緩沖區的存在，能夠提高數據效率。一般c語言庫函數寫入文件采用的是全緩沖，而寫入顯示器是航緩存。
如果一塊數據多次分批寫入外存效率低開銷大，但是一次性寫入效率最高。
- 全緩沖：文件輸出，效率高但實時性差，緩沖區滿
I/O。 - 行緩沖：**終端(C庫)**輸出，遇到
\n或緩沖區滿時刷新。 - 無緩沖：如
stderr，立即輸出。
緩沖區刷新：
- 用戶強制刷新
- 進程退出
例如有語句char *str="helloworld"，首先將該字符串存放在FILE結構體內的C緩沖區，滿足條件后將數據刷新到內核緩沖區，在這個區域由OS維護和操作。
首先關閉文件描述符為1，open分配的log.txt文件的fd為1，后面printf和fprintf會對新打開的文件(fd=1)執行新操作，改變了刷新機制。但是close(fd)使得文件描述符被關閉，C緩沖區內容無法向OS文件內核緩沖區刷新，故不會將數據刷新到log.txt內。
03. 軟硬鏈接
二者區別：軟鏈接會創建新的inode，而硬連接不會。
硬鏈接：
- 在目錄條目中新增一個文件名，指向同一 inode。
- inode 的
引用計數會遞增（可通過stat命令查看）
軟鏈接：
- 創建一個新的 inode 和文件，文件內容為目標路徑字符串。
- 訪問軟鏈接時，內核會遞歸解析路徑。
04. 動靜態庫
待寫…
