hello,大家好,这里是bang___bang_,今天来谈谈的文件系统知识,包含有缓冲区、inode、软硬链接、动静态库。本篇旨在分享记录知识,如有需要,希望能有所帮助。
目录
1️⃣缓冲区
🍙缓冲区的意义
🍙常见缓冲区刷新策略
🍙缓冲区位置猜想
🍥现象猜测
🍥现象解释
🍙用户级缓冲区位置
2️⃣理解文件系统
🍙磁盘的存储结构
🍥磁盘物理结构
🍥磁盘抽象结构
🍙文件系统
🍥inode vs 文件名
3️⃣软硬链接
🍙软链接
🍙硬链接
4️⃣动态库和静态库
🍙静态库
🍥生成静态库
🍥使用静态库
🍙动态库
🍥生成动态库
🍥使用动态库
🍙同时存在使用静态库还是动态库?
🍙特点总结
🍥静态库特点
🍥动态库特点
1️⃣缓冲区
问题:什么是缓冲区?
答:就是一段内存空间!!
🍙缓冲区的意义
我们知道了一段内存空间就是缓冲区,那么为什么要有缓冲区呢?
🌰生活例子映射:
你在西安,你有个好朋友在上海,下个月好朋友要过生日了,你想送他一本你自己手绘的图画,你可以选择自己骑车亲手送给你的朋友;也可以选择下楼到顺丰选择寄送包裹然后回家。
毫无疑问:你自己骑车亲手送需要花费大量的时间,而你选择去顺丰寄包裹却很快,但是寄包裹也不是立马就会发送包裹,可能要等仓库堆满一批货物再一起发送。(图画是数据,顺丰是缓冲区)
自己骑车亲手送就相当于写透模式(WT)
而去顺丰寄包裹再可以直接回家就相当于写回模式(WB)
写透模式:直接将数据写到外部设备。
写回模式:先将数据写到缓冲区,当缓冲区的数据达到一定量时,再集中写到外部设备。
通过这个例子很显然能感受到缓冲区存在的意义了!
缓冲区存的意义:提高整机效率。主要是为了提高用户的响应速度!
🍙常见缓冲区刷新策略
缓冲策略=一般+特殊
一般情况:
✦立即刷新
✦行刷新(行缓冲)
✦满刷新(全缓冲)
特殊情况:
✦用户强制刷新(fflush)
✦进程退出
一般而言:行缓冲的设备文件——显示器 全缓冲的设备文件——磁盘文件
所有的设备,永远都倾向于全缓冲!
——缓冲区满了,才刷新—>更少次的IO操作—>更少次的外设的访问(提高效率)
和外部设备IO的时候,数据量的大小不是主要矛盾,和外设预备IO的过程是最耗费时间的!!
🍙缓冲区位置猜想
🍥现象猜测
🌰下面有一段代码,我们分别输出到显示屏,输出重定向到文件。
int main() {
//C语言提供的
printf("hello printf\n");
fprintf(stdout, "hello fprintf\n");
const char* s = "hello fputs\n";
fputs(s, stdout);
//OS提供的
const char* ss = "hello write\n";
write(1, ss, strlen(ss));
fork();
return 0;
}
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我们可以看到同一份代码,输出的结果却不一样,C的IO接口打印了2次,系统接口只打印1次和向显示器打印一样!也就是说子进程中有父进程C的IO接口对应的打印数据,但没有系统接口的。也就是说如果有缓冲区,那么绝对是C标准库来提供的。
🍥现象解释
★如果向显示器打印,刷新策略是行刷新,那么进程执行到fork()函数时会将C标准库里缓冲区的数据全部进行刷新出去(fork无意义!)
对于进程来说,当我们调用C文件接口fputs时,实际是将进程数据写入到C标准库中的缓冲区里,然后再统一调用系统接口write函数写入到对应的目标文件中。
★如果我们进行输出重定向时,将原本写入到stdout文件中的数据写入到了磁盘文件中,缓冲模式就由行刷新变成了全缓冲。(\n便没有意义了!)当进程执行到代码fork()时,此时进程写入C标准库中的缓冲区数据还未刷新。当进程执行fork函数,便又生成了子进程。
fork后父子进程退出:刷新数据到磁盘文件中,但是刷新实际上也是一次写入,因为进程的独立性,发生写时拷贝,打印2份!!
★缓冲区里的数据也是父进程的数据!提前强制刷新后,没有数据了,子进程也就没拷贝了!
🍙用户级缓冲区位置
问题:为什么fflush只传了stdout,却能找到缓冲区?
答:C语言中,打开文件,FILE* fopen(),struct FILE 结构体 内部封装了fd,还包含了该文件fd对应的语言层的缓冲区结构!
2️⃣理解文件系统
🌰我们使用ls -l指令读取文件信息,实际上是对磁盘中的文件进行读取。
磁盘——永久性存储介质(还有SSD,U盘,flash卡,光盘,磁带)
磁盘是一个外设+还是我们计算机中唯一的一个机械设备!也就是说速度很慢!(相对于CPU)
🍙磁盘的存储结构
🍥磁盘物理结构
磁盘盘片,磁头,伺服系统,音圈马达等等
向磁盘写入,本质就是改变磁盘上的正负性。
磁盘的盘面被划分为一个个磁道,而磁道又被划分为一个个扇区。
扇区(磁道划分区域)是磁盘存储数据的基本单位(512byte)
如何将数据写入指定的一个扇区?有以下步骤:CHS寻址
——1.在哪一个面上(对应的就是哪一个磁头)
——2.在哪一个磁道(柱面)上
——3.在哪一个扇区上
如果我们有了CHS寻址方式,就可以找到任意一个扇区。
🍥磁盘抽象结构
小时候我们都有过磁带这种东西,他是缠在一起成圈的,但是我们也可以将他全拉出来成线状。磁盘我们也可以抽象成拉长后变为线状结构。
结构:圆形结构(CHS)->线性结构(LBA)
LBA是非常单纯的一种寻址模式﹔从0开始编号来定位扇区,第一扇区LBA=0,第二扇区LBA=1,依此类推。所以将来我们想要访问磁盘的某个扇区,只需要将通过LBA寻址后转换为CHS物理寻址。
最终:对磁盘的管理就变成了对一个个小分区的管理。
🍙文件系统
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虽然磁盘的基本单位是扇区(512字节),但是OS(文件系统)和磁盘进行IO的基本单位是:4KB(8*512byte)4KB->block大小。
★Super Block->文件系统的属性信息
★Data bolcks->多个4KB大小的集合,保存的都是特定文件的内容
★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,都要有一个inode编号!
★Block Bitmap:假设有10000+blocks,10000+比特位;比特位合特定的block是一一对应的,其中比特位为1,代表该block被占用,否则表示可用!
★inode Bitmap:假设有10000+个inode节点,就有10000+个比特位,比特位和特定的inode是一一对应的。其中bitmap中比特位为1,代表该inode被占用,否则表示可用!
★GDT:块组描述符,这个块组多大,已经使用了多少了,有多少个inode,已经占用了多少个,还剩多少,一共有多少个block,使用了多少....
我们将块组分割成上面的内容,并且写入相关的管理数据->每一个块组都这么干->整个分区就被写入了文件系统信息!!!(格式化)
🍥inode vs 文件名
- 一个目录下,可以保存很多文件,但是这些文件都不会重名。
- 目录是文件,目录有自己的inode和Data block
文件名在目录的Data block 中,它保存着与inode编号的映射关系,文件名与inode互为key值,都是唯一的。
🌰为什么目录需要w权限?
因为在目录下创建文件时,这个目录有自己的数据块,我们创建文件的文件名就在目录的Data block 中,所以我们要将文件名和inode编号写入保存,此时必须需要w权限。
🌰为什么目录中具有r权限?
当我们需要显示文件名时,我们只能从目录的内容中获取文件名及相关属性,就必须访问目录的文件内容,就必须需要r权限从目录的Data block中获取文件名。
🌰创建文件,系统做了什么?
特定分组找到没有使用的inode,分配inode编号,如果文件有内容,向文件内容当中申请Data Block,设置Block Bitmap,建立inode和Bitmap的映射,inode和Bitmap、Data Block的对应关系并写到inode结点中,inode文件名对应的映射关系写到特定的目录的DataBlock中。
🌰删除文件,系统做了什么?
删除文件肯定是在这个目录下删除,找到这个目录的Data Block, 删文件用户提供文件名,在Data Block中索引查询由文件名进行映射的inode编号,找到将inodeBitmap对应的比特位由1置为0,将Block Bitmap中的比特位由1置为0,在目录的Data Blocks中将文件名与inode编号解除映射关系。
🌰查看文件,系统做了什么?
根据文件名找到inode,然后查内容查属性。
3️⃣软硬链接
本质区别:有没有独立的inode
🍙软链接
软链接有独立的inode,软链接是一个独立的文件
应用:相当于windows下的快捷方式
特性:可以理解成为:软链接的文件内容,是指向的文件对应的路径!
ln -s 文件 软链接文件名
🌰建立一个软链接
🌰 软链接如同Windows下的快捷方式
🍙硬链接
硬链接没有独立的inode,硬链接不是一个独立的文件(有被链接文件的inode)
创建硬链接就是在指定的目录下,建立了 文件名 和 指定inode的映射关系。
ln 文件 硬链接文件名
🌰建立一个硬链接
硬链接没有独立的inode!也就是说硬链接不是一个独立的文件!
🌰硬链接数(引用计数)
硬链接后inode与文件名映射关系增加1组,所以为2,从这里可以看出一个思想:
当我们删除一个文件的时候,并不是把这个文件inode删除,而是将这个文件的inode引用计数--。当引用计数为0的时候,这个文件,才正在删除!!(RAII思想)
🌰默认创建文件引用计数是1,创建目录引用计数是2
inode与文件名对应一组映射关系。
但目录为什么是2呢?
因为目录里面还有隐藏文件.文件,也就是说inode对应2个文件名(自己目录名,自己目录内部的文件名),所以引用计数为2。
4️⃣动态库和静态库
🍙静态库
✦静态库(.a):程序在编译链接的时候把库的代码链接到可执行文件中。程序运行的时候将不再需要静态库。
🍥生成静态库
打包.o文件:ar -rc xxx.a xxx.o xxx.o
解析 ar是gnu归档工具 ar——archieve r——replace c ——create ,把.o文件打包到.a(静态库)
🌰将myprint.o、mymath.o打包到libtest.a
myprint.h代码:
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<time.h>
extern void Print(const char* str);
myprint.c代码:
#include"myprint.h"
void Print(const char* str)
{
printf("%s[%d]\n",str,(int)time(NULL));
}
mymath.h代码:
#pragma once
#include<stdio.h>
extern int addToTarget(int form,int to);
mymath.c代码:
#include"mymath.h"
int addToTarget(int form,int to)
{
int sum=0;
for(int i=form;i<=to;i++)
{
sum+=i;
}
return sum;
}
Makefile:
libtest.a:mymath.o myprint.o
ar -rc libtest.a mymath.o myprint.o
mymath.o:
gcc -c mymath.c -o mymath.o -std=c99
myprint.o:
gcc -c myprint.c -o myprint.o -std=c99
.PHONY:clean
clean:
rm -rf *.o *.a
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🍥使用静态库
gcc main.c -I 指定头文件搜索路径 -L 指定库文件搜索路径 -l使用哪个库
🌰使用上面生成的libtest.a静态库
修改Makefile文件,将头文件放到include目录中,静态库放到lib目录中。
libtest.a:mymath.o myprint.o
ar -rc libtest.a mymath.o myprint.o
mymath.o:
gcc -c mymath.c -o mymath.o -std=c99
myprint.o:
gcc -c myprint.c -o myprint.o -std=c99
.PHONY:output
output:
mkdir -p lib
mkdir -p include
cp -rf *.h include
cp -rf *.a lib
.PHONY:clean
clean:
rm -rf *.o *.a lib include
使用静态库生成可执行文件:
🍙动态库
✦动态库(.so):程序在运行的时候才去链接动态库的代码,多个程序共享使用库的代码。
🍥生成动态库
生成动态库的必须加 -fPIC 生成二进制文件
-shared告诉gcc生成动态库
gcc -fPIC -c xxxx.c -o xxxx.o //生成动态库必须加-fPIC
gcc -shared xxxx.o -o libxxxx.so //-shared告诉gcc生成动态库
🌰生成libtest.so动态库
编写Makefile文件:
libtest.so:mymath_d.o myprint_d.o
gcc -shared mymath_d.o myprint_d.o -o libtest.so
mymath_d.o:mymath.c
gcc -fPIC -c mymath.c -o mymath_d.o -std=c99
myprint_d.o:myprint.c
gcc -fPIC -c myprint.c -o myprint_d.o -std=c99
.PHONY:output
output:
mkdir -p lib
mkdir -p include
cp -rf *.h include
cp -rf *.so lib
.PHONY:clean
clean:
rm -rf *.o *.so lib include
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🍥使用动态库
动态库的使用和静态库是一样的。
gcc main.c -I 指定头文件搜索路径 -L 指定库文件搜索路径 -l使用哪个库
🌰main.c使用动态库libtest.so
查看程序链接的库(动态库):ldd
ldd 可执行程序 //查看程序链接的库
🍙同时存在使用静态库还是动态库?
问题:假设现在既有静态库又有动态库,那么程序默认链接的是哪种库?
修改Makefile文件:
.PHONY:all
all:libtest.so libtest.a
libtest.so:mymath_d.o myprint_d.o
gcc -shared mymath_d.o myprint_d.o -o libtest.so
mymath_d.o:mymath.c
gcc -fPIC -c mymath.c -o mymath_d.o -std=c99
myprint_d.o:myprint.c
gcc -fPIC -c myprint.c -o myprint_d.o -std=c99
libtest.a:mymath.o myprint.o
ar -rc libtest.a mymath.o myprint.o
mymath.o:
gcc -c mymath.c -o mymath.o -std=c99
myprint.o:
gcc -c myprint.c -o myprint.o -std=c99
.PHONY:clean
clean:
rm -rf *.o *.a *.so
现象:
验证发现同时存在静态库和动态库默认使用的是动态库。
那么如何在这种情况使用静态库呢? -static 指定静态链接
-static的意义:摒弃默认优先使用动态库的原则,而是直接使用静态库。
使用ldd查看链接的动态库,报错显示:不是动态可执行文件,也就是说使用的是静态库!!
🍙特点总结
🍥静态库特点
优点:
①静态库被打包到应用程序中加载速度快
②发布程序无需提供静态库,移植方便
缺点:
①相同的库文件数据可能在内存中被加载多份,消耗系统资源,浪费内存
②库文件更新需要重新编译项目文件,生成新的可执行程序,浪费时间
🍥动态库特点
优点:
①可实现不同进程间的资源共享
②动态库升级简单,只需要替换库文件,无需重新编译应用程序
③可以控制何时加载动态库,不调用库函数动态库不会被加载
缺点:
①加载速度比静态库慢
②发布程序需要提供依赖的动态库文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-638015.html
文末结语,开篇解释缓冲区以及意义,并验证了用户级缓冲区的刷新策略,接下来谈文件系统,首先介绍磁盘的存储结构(包括物理结构和抽象结构),介绍inode和文件名之间的关系,软硬链接的使用,最后讲解动静态库,详细说明如何制作并使用动静态库,并探究了动静态库同时存在时默认使用动态库,以及想使用静态库的解决方案,最终总结动静态的特点。本篇旨在分享记录知识,如有需要,希望能有所帮助!!感谢观看!文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-638015.html
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