Linux:详解基础IO(重定向、静态库和动态库、ext2文件系统、软硬连接)(二)

1.1 前言

重定向是什么呢&＃xff1f;举个例子来看一下

我们首先创建一个不包含任何内容的文件1.txt

然后我们将ls -l的命令重定向到1.txt

查看1.txt中的内容

1.2 重定向的命令符号

• >&＃xff1a;清空重定向&＃xff0c;将文件清空之后&＃xff0c;再进行重定向
• >>&＃xff1a;追加重定向&＃xff0c;直接将重定向的内容放在该文件的尾部

相当于C语言fopen函数中的 w、w&＃43; 属性。

1.3 重定向的原理

首先&＃xff0c;我们来看一下Linux中一个程序所对应的默认的文件输出信息&＃xff0c;在/proc/[PID]/fd路径下查看

再看看/dev/pts/0里到底是什么

那么&＃xff0c;重定向的原理是什么呢&＃xff1f;拿前言中的例子来说&＃xff0c;ls命令本来是将结果输出到屏幕上&＃xff0c;而我们使用重定向将其本要输出到屏幕上的内容转而输出到了1.txt文件中&＃xff0c;其本质就是修改了ls命令的标准输出(fd_adday[1])的指向。
用图来解释一下就是&＃xff1a;

①初始的时候

②当使用重定向后&＃xff0c;将fd_array[1]的指向重新设置为fd_array[3]的指向的结构体

此时&＃xff0c;当使用 ls 命令时&＃xff0c;它的内容就不会输出再屏幕上&＃xff0c;而是会输出到1.txt文件中

总结一下重定向的原理是&＃xff1a;将fd_array数组中的元素struct file * 指针的指向关系进行改变&＃xff0c;改变成为其他struct file 结构体的地址

1.4 重定向的代码实现

首先来看一个重定向的函数

int dup2(int oldfd, int newfd);

它的参数&＃xff0c;如字面意思一样&＃xff0c;给定两个文件描述符即可&＃xff0c;dup2函数中也有对应的特性。我们接下来一一的进行探讨。
查看dup2函数的描述可得&＃xff1a;

特性①&＃xff1a;

解释&＃xff1a;dup2的newfd是拷贝于oldfd的&＃xff0c;也就是说&＃xff0c;当重定向之后&＃xff0c;oldfd的指向还是存在的&＃xff0c;并不会随着dup2的调用而消失。举个例子来说就是dup2(0,3)&＃xff0c;相当于将 fd[3] 变为标准输入流&＃xff0c;但是原来的 fd[0] &＃xff0c;还是存在的&＃xff0c;并不会关闭。
 
特性②&＃xff1a;

解释&＃xff1a;如果必要&＃xff0c;则在使用dup2进行重定向的时候&＃xff0c;会先关闭newfd&＃xff0c;(这里的必要是指&＃xff1a;oldfd是正常的文件描述符)&＃xff0c;但是还要注意以下几点&＃xff1a;
 

• note1&＃xff1a;
  
  解释&＃xff1a;若oldfd不是一个有效的文件描述符&＃xff0c;则不关闭newfd&＃xff0c;重定向失败
   
• note2&＃xff1a;
  
  解释&＃xff1a;若oldfd是一个有效的文件描述符&＃xff0c;并且oldfd和newfd拥有相同的文件描述符数值&＃xff0c;那么dup2函数什么都不干&＃xff0c;且返回newfd

返回值&＃xff1a;若重定向成功&＃xff0c;则返回newfd&＃xff0c;若失败&＃xff0c;则返回-1。

用代码实现重定向

在实现代码之前&＃xff0c;首先先明确该代码应该实现的功能&＃xff1a;首先获得当前目录下一个文件的文件描述符fd&＃xff0c;如果不存在则创建。然后调用dup2函数将标准输出的文件描述符重定向到fd&＃xff0c;标准输出为newfd&＃xff0c;fd为oldfd&＃xff0c;然后通过printf函数进行打印&＃xff0c;查看其现象。

代码如下&＃xff1a;

代码1&＃xff1a;

#include
#include
#include
#include int main()
{int fd &＃61; open("./1.txt",O_RDWR | O_CREAT,0664);if(fd < 0){perror("open");exit(1);}//将标准输出重定向至当前文件&＃xff0c;表示当进行输出的时候&＃xff0c;会将内容打印到1.txt中&＃xff0c;而不是打印在屏幕上//将oldfd拷贝于newfddup2(fd,1);while(1){//重复打印10次到1.txt中printf("It&＃39;s test to redirect!");sleep(1);}return 0;
}


结果探讨&＃xff1a;由于是while(1)死循环&＃xff0c;那么在重定向之后&＃xff0c;在执行printf时&＃xff0c;会不停的往1.txt文件中输出 It’s test to redirect !&＃xff0c;那么结果是否是如此呢&＃xff0c;我们来运行一下&＃xff1a;

为了能看到程序运行的结果&＃xff0c;我们使用tail -f 1.txt的语句来实时查看1.txt文件当中的内容

使用tail -f 1.txt

我们发现好像并没有写入到1.txt中&＃xff0c;为什么呢&＃xff1f;

查看一下文件描述符&＃xff0c;发现重定向已经成功了&＃xff0c;但是为什么没有打印到1.txt呢&＃xff1f;
然后过了一会&＃xff0c;我们再使用tail -f 1.txt查看1.txt内容&＃xff0c;发现已经写到文件中了

那这到底为什么会这样呢&＃xff1f;为什么一开始并不会向1.txt中写入文件&＃xff0c;而是过一会才写入文件中呢&＃xff1f;

解答&＃xff1a;C库函数写入文件时是全缓冲的&＃xff0c;而在写入显示器时是行缓冲的。

• 当写入文件时&＃xff0c;’\n’就不管用了&＃xff0c;需要搭配fflush() 函数来强制刷新缓存区&＃xff08;或者等待程序结束时的强制刷新&＃xff09;
• ‘\n’ &＃xff0c;只对行缓冲区有用

因此&＃xff0c;解决该问题有两种办法

• 规定循环次数&＃xff08;循环结束&＃xff0c;程序结束&＃xff0c;会自动刷新缓冲区&＃xff09;
• 使用fflush函数强制刷新缓冲区

代码改进&＃xff1a;

#include
#include
#include
#include int main()
{int fd &＃61; open("./1.txt",O_RDWR | O_CREAT,0664);if(fd < 0){perror("open");exit(1);}//将标准输出重定向至当前文件&＃xff0c;表示当进行输出的时候&＃xff0c;会将内容打印到1.txt中&＃xff0c;而不是打印在屏幕上//将oldfd拷贝于newfddup2(fd,1);int count &＃61; 10;while(count--){//重复打印10次到1.txt中printf("It&＃39;s test to redirect!\n");//fflush()sleep();}return 0;
}


这次我们再来看一下结果

发现可以输出是和我们的猜想一致&＃xff0c;很完美&＃xff01;&＃xff01;

2.1 动态库

2.1.1 分类

• Windows操作系统下&＃xff1a;若文件的后缀为.dll&＃xff0c;则表明该文件为动态库
• Linux操作系统下&＃xff1a;若文件的后缀为.so&＃xff0c;前缀为lib&＃xff0c;则表明该文件为动态库

2.1.2 动态库的编译生成

命令&＃xff1a; gcc/g&＃43;&＃43;

必选命令行参数&＃xff1a;

• -shared&＃xff1a;生成的动态库
• -fPIC&＃xff1a;生成与位置无关的代码&＃xff08;该参数会计算出程序的相对位置&＃xff09;

命令范式&＃xff1a;

gcc/g&＃43;&＃43; [soure code] -shared -fPIC -o lib[动态库名称].so

举个例子&＃xff1a;

注意&＃xff1a;生成的动态库中不能包含main函数&＃xff01;&＃xff01;&＃xff01;

使用动态库的原因&＃xff1a;

防止源码泄漏&＃xff0c;因为动态库是编译.c文件生成的二进制文件&＃xff0c;因此当要发布产品时&＃xff0c;只需要将动态库和其对应的.h文件发布即可&＃xff0c;这就实现了我能知道这个代码各个函数能实现什么功能&＃xff0c;但是不知道其内部的具体实现&＃xff0c;封装性极强&＃xff0c;可以极大的防止源码泄漏。

2.1.3 动态库的使用&＃xff08;场景&＃xff09;

本质上是想要使用动态库产生一个可执行的程序

参数&＃xff1a;

• - L &＃43; [动态库所在路径]
• -l &＃43; [动态库名称](注意&＃xff1a;这里的动态库名称是指&＃xff0c;去掉前缀和后缀之后的名称)

命令范式&＃xff1a;

gcc/g&＃43;&＃43; [source code] -o [可执行程序] -L [动态库所在路径] -l[动态库的名称]

举个例子&＃xff1a;

ldd &＃43; [可执行程序]&＃xff1a;可以查看当前可执行程序所有依赖的动态库的名称

该命令很是重要&＃xff0c;在以后实战中可能会经常遇到

2.1.4 动态库配合环境变量的使用

若是我不小心将当前目录下的动态库给移走了&＃xff0c;那么此时程序还能正常运行吗&＃xff1f;

那么问题来了&＃xff1a;如何让可执行程序能够找到依赖的动态库在哪里

解决方案&＃xff1a;配合环境变量LD_LIBRARY_PATH进行使用

• LD_LIBRARY_PATH&＃xff1a;是动态库的搜索的环境变量
• PATH&＃xff1a;是可执行程序的搜索的环境变量

将动态库所在位置&＃xff0c;放入系统的环境变量中即可解决该问题。

2.2 静态库

2.2.1 分类

• Windows操作系统下&＃xff1a;若文件的后缀为.lib&＃xff0c;则表明该文件为静态库
• Linux操作系统下&＃xff1a;若文件的后缀为.a&＃xff0c;前缀为lib&＃xff0c;则表明该文件为静态库

2.2.2 静态库的编译生成

命令范式&＃xff1a;

ar -rc lib[静态库名称].a [依赖的文件]

这里依赖的文件是指整个汇编过程完成之后的文件&＃xff0c;即.o文件

步骤&＃xff1a;

• 先将要编译静态库的代码&＃xff0c;编译到汇编阶段
• 使用ar -rc生成静态库&＃xff08;二进制代码文件&＃xff09;

举个例子&＃xff1a;

2.2.3 静态库的使用

命令范式&＃xff1a;

gcc [soure code] -o [可执行程序] -L [静态库路径] -l[静态库名称]

这里的静态库名称和动态库一样&＃xff0c;都是去掉前缀和后缀之后的名称

注&＃xff1a;若可执行程序依赖静态库编译成功的&＃xff0c;会将静态库的内容直接打包到可执行程序中。并且ldd命令是查看不到其依赖关系的。

举个例子&＃xff1a;

扩展&＃xff1a;

• 一个程序依赖动态库或者依赖静态库生成可执行程序时&＃xff0c;动态库或静态库是不会干扰到链接方式的&＃xff08;此处的链接方式指得是静态链接和动态链接&＃xff09;
• 在编译可执行程序时&＃xff0c;使用gcc/g&＃43;&＃43;编译时&＃xff0c;默认不增加命令行参数-static&＃xff0c;则表明该链接为动态链接&＃xff0c;反之&＃xff0c;则为静态链接
• 静态链接就是在编译时&＃xff0c;主动加上-static参数的程序&＃xff0c;这时候用ldd命令查看会什么也查不到&＃xff0c;因为他会将所有依赖的文件全部封装到可执行程序中去&＃xff0c;相对于的可执行程序会异常的大

再看看它的文件大小

碎片知识&＃xff1a;动态库是不能用静态链接的生成可执行程序&＃xff08;静态库是可以的&＃xff09;&＃xff0c;但是这种情况只是指自己编译的动态库是不行的。而操作系统的动态库是可以静态链接的

众所周知&＃xff0c;系统的磁盘是分为好几个区的&＃xff0c;如C区、D区等等&＃xff0c;每个区或许都有它对应的文件系统&＃xff0c;本节我们就着重讲讲ext2文件系统。

Linux ext2文件系统&＃xff0c;上图为磁盘文件系统图&＃xff08;内核内存映像肯定有所不同&＃xff09;&＃xff0c;磁盘是典型的块设备&＃xff0c;硬盘分区被划分为一个个的block。一个block的大小是由格式化的时候确定的&＃xff0c;并且不可以更改。上图中启动块&＃xff08;Boot Block&＃xff09;的大小是确定的。

• Block Group&＃xff1a;ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。相当于政府管理各区的例子
• 超级块&＃xff08;Super Block&＃xff09;&＃xff1a;存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有&＃xff1a;bolck 和 inode的总量&＃xff0c;未使用的block和inode的数量&＃xff0c;一个block和inode的大小&＃xff0c;最近一次挂载的时间&＃xff0c;最近一次写入数据的时间&＃xff0c;最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏&＃xff0c;可以说整个文件系统结构就被破坏了。
• GDT&＃xff0c;Group Descriptor Table&＃xff1a;块组描述符&＃xff0c;描述块组属性信息。
• Block Bitmap&＃xff1a;块的位图&＃xff0c;描述每一个块的使用情况&＃xff0c;若使用则比特位为1&＃xff0c;反之为0。
• inode Bitmap&＃xff1a;它描述了inode结点的使用情况&＃xff0c;即描述了inode table中&＃xff0c;哪一个inode结点被使用&＃xff0c;哪一个inode结点没有被使用
• inode Table&＃xff1a;里面存放了inode的结点

inode结点&＃xff1a; 用来描述文件存储的信息以及对应的文件元信息。

• Data blocks&＃xff1a;反映了块的使用情况&＃xff0c;即Block Bitmap中保存的结果是根据Data blocks的存储信息得来的。

3.1 存储数据的逻辑

① 从block Bitmap当中查找到空闲的Data block块&＃xff0c;将文件分成不同的块存储在不同的block中。

② 从inode Bitmap中查找空闲的inode结点&＃xff0c;将文件信息保存在inode中&＃xff0c;其中文件信息包括文件在哪些block块中存储&＃xff0c;位均名称,文件大小,文件权限,文件访问时间,文件修改时间,文件修改属性时间,文件拥有者,文件所属组。

③将文件的名称和inode结点号&＃xff0c;作为目录的目录项保存下来。

3.2 获取数据的逻辑

①通过目录项当中的文件名称找到对应的inode结点号。

②通过inode节点号&＃xff0c;找到对应的inode结点&＃xff0c;通过inode结点找到文件的元信息。

③通过文件元信息&＃xff0c;找到文件存储的block块&＃xff0c;将文件内容组合起来。

④展示给用户&＃xff0c;文件的元信息以及文件的内容

3.3 相关命令语句

df -h命令可以查看磁盘的情况&＃xff08;分区、大小&＃xff09;

如下&＃xff1a;

ll -i可以查看inode的结点号

stat [文件名称]:查看文件详细信息&＃xff08;文件的元信息&＃xff09;

4.1 软链接

概念&＃xff1a;

软链接就是给文件创建了一个快捷 方式

创建&＃xff1a;

使用ln -s [原文件] [创出的软链接名称]命令

软链接探讨

① 对比inode结点号

发现软链接的inode号和源文件的inode号是不一样的&＃xff0c;但是它们所指向的block是一样的

② 当删除源文件时&＃xff0c;软链接的状态

再重新创建一个test.c的文件&＃xff0c;查看其状态

发现软链接又重新指向test.c文件&＃xff0c;但是其中的内容发生了改变&＃xff0c;不在是以前的test.c文件。
 
总结&＃xff1a;修改源文件会影响软链接文件&＃xff0c;修改软链接文件也会影响源文件&＃xff0c;因此&＃xff0c;在删除源文件的时候&＃xff0c;一定要把软链接文件也给删除掉

4.2 硬链接

概念&＃xff1a;

硬链接相当于文件的一个备份&＃xff08;拷贝&＃xff09;

创建&＃xff1a;

使用ln [源文件] [硬连接文件]命令

硬连接具有和源文件相同的inode结点号&＃xff0c;并且是一个普通的文件&＃xff0c;生成硬链接后&＃xff0c;对应的硬链接文件数也变为 2。