Linux 文件系统与 I/O 编程核心原理及实践笔记

news2025/6/8 6:14:40

文章目录

  • 一、理解文件
    • 1.1 狭义理解
    • 1.2 广义理解
    • 1.3 文件操作的归类认识
    • 1.4 系统角度：进程与文件的交互
    • 1.5 实践示例
  • 二、回顾 C 文件接口
    • 2.1 hello.c 打开文件
    • 2.2 hello.c 写文件
    • 2.3 hello.c 读文件
    • 2.4 输出信息到显示器的几种方法
    • 2.5 stdin & stdout & stderr
  • 三、系统文件I/O
    • 3.1 一种传递标志位的方法
    • 3.2 接口介绍
    • 3.5 3-5 open函数返回值
    • 3.6 文件描述符 fd
      • 3.6.1 0 & 1 & 2
      • 3.6.2 文件描述符的分配规则：最小未使用下标优先
      • 3.6.3 应用场景：重定向的实现
      • 3.6.4 dup2 系统调用
  • 五、缓冲区
    • 5.1 什么是缓冲区
    • 5.2 为什么要引入缓冲区机制
    • 5.3 缓冲类型

一、理解文件

1.1 狭义理解

  • 文件在磁盘里
    *磁盘作为永久性存储介质，通过文件系统（如 EXT4、XFS）管理文件存储。文件系统将磁盘划分为inode（索引节点）和block（数据块）：
    • inode：存储文件元数据（权限、所有者、修改时间等），每个文件唯一对应一个 inode。
    • block：存储文件实际数据，大小由文件系统决定（如 4KB）。
      注意：即使 0KB 的空文件也会占用inode 空间（不同文件系统 inode 大小不同，如 EXT4 默认 256 字节），但不占用数据块（block）。
  • 磁盘是外设（输入 / 输出设备）
    对磁盘文件的操作本质是IO（Input/Output），涉及内核与外设的数据交互（如通过 DMA 控制器读写磁盘）。

1.2 广义理解

Linux下一切皆文件
系统将硬件设备、进程信息、通信管道等抽象为文件，通过统一接口管理：

  • 硬件设备：
    • 块设备：以块为单位读写（如硬盘 /dev/sda，文件类型 b）。
    • 字符设备：以字符流读写（如键盘 /dev/input/event0，文件类型 c）。
  • 虚拟文件系统：
    • /proc：动态映射进程信息（如 /proc/self/exe 是当前进程二进制文件）。
    • /sys：暴露内核设备驱动细节（如 /sys/class/leds/ 控制 LED 灯）。
  • 进程通信：
    • 管道文件（类型 p）：mkfifo mypipe 创建命名管道。
    • 套接字文件（类型 s）：/run/docker.sock 用于 Docker 进程通信。
      这种抽象屏蔽了底层差异，例如读写 /dev/tty1（终端设备文件）与读写普通文件使用相同 API。

1.3 文件操作的归类认识

文件 = 元数据（属性） + 数据内容

  • 元数据：
    • 基础属性：权限（rwx）、所有者（uid/gid）、硬链接数（ls -l 第二列）。
    • 时间戳：修改时间（mtime）、状态改变时间（ctime）、访问时间（atime）。
    • 技术属性：inode 编号（ls -i）、文件大小（ls -l 第五列）、块数（ls -s）。
  • 数据内容：
    分为文本（ASCII/UTF-8）和二进制（如可执行程序、图片），通过cat、hexdump等工具查看。
  • 操作分类
    • 内容操作：读写（read/write系统调用）、定位（lseek）、截断（truncate）。
  • 属性操作：
    • 修改权限：chmod（对应chmod系统调用）。
    • 更改所有者：chown（对应chown系统调用）。
    • 查看元数据：stat命令（对应stat系统调用，返回struct stat结构体）。

1.4 系统角度：进程与文件的交互

  • 一切文件操作由进程触发
    内核通过 ** 文件描述符（File Descriptor, FD）** 标识进程打开的资源，FD 是 0~1023 的整数（默认：0=stdin，1=stdout，2=stderr）。
    可通过ls -l /proc/$$/fd查看当前进程打开的文件（$$为当前进程 PID）。
  • 系统调用 vs 库函数
    • 系统调用：内核提供的底层接口（如open、read），需从用户态陷入内核态，开销较高但更直接。
    • 库函数：C 标准库封装的高层接口（如fopen、fread），内部调用系统调用并提供缓存机制（如stdio的缓冲区）。
    • 示例：fprintf(stdout, "hello") 最终会调用write(1, "hello", 5)系统调用。
  • 内核如何管理文件
    • 每个打开的文件对应内核中的 file结构体，记录文件位置、引用计数等。
    • 多个进程可通过不同 FD 指向同一file结构体（如父子进程共享文件），实现数据共享。

1.5 实践示例

  1. 查看文件元数据
stat test.txt  # 显示inode、权限、时间戳等详细信息
ls -li test.txt  # 查看inode编号和硬链接数

在这里插入图片描述

  1. 操作设备文件
echo "Hello zkp!" > /home/zkp/linux/25/6/7/file/test.txt  # 向文件写入信息
cat /home/zkp/linux/25/6/7/file/test.txt  # 查看文件内容

在这里插入图片描述

  1. 理解文件描述符
exec 3<> file.txt  # 在当前Shell中打开文件，FD=3可读可写
echo "test" >&3    # 通过FD=3写入文件
cat <&3            # 通过FD=3读取文件
exec 3>&-          # 关闭FD=3

二、回顾 C 文件接口

2.1 hello.c 打开文件

在这里插入图片描述
打开的myfile文件在哪个路径下？

  • 在程序的当前路径下，那系统怎么知道程序的当前路径在哪里呢？
    可以使用 ls /proc/[进程id]命令查看当前正在运行进程的信息：
    在这里插入图片描述
    其中:
  • cwd：指向当前进程运行目录的一个符号链接。
  • exe：指向启动当前进程的可执行文件（完整路径）的符号链接。
    打开文件，本质是进程打开，所以，进程知道自己在哪里，即便文件不带路径，进程也知道。由此OS就能知道要创建的文件放在哪里。

2.2 hello.c 写文件

在这里插入图片描述

2.3 hello.c 读文件

在这里插入图片描述

2.4 输出信息到显示器的几种方法

在这里插入图片描述

2.5 stdin & stdout & stderr

  • C 默认会打开三个输出流，分别是 stdin，stdout，stderr
  • 这三个流的类型都是 FILE*，而 fopen 返回值类型也是文件指针

三、系统文件I/O

我们知道，文件的权限分为 rwx，对应的标志位为 4，2，1。

3.1 一种传递标志位的方法

核心原理：位掩码（Bit Mask）
每个标志对应 唯一的二进制位（如第 0 位、第 1 位…），通过 位运算 组合 / 解析：

  • 设置标志：用 |（按位或）组合多个标志（如 FLAG_A | FLAG_B）。
  • 检查标志：用 &（按位与）判断某一位是否为 1（如 if (flags & FLAG_A)）。
#include <stdio.h>

// 定义权限标志位（与Linux系统保持一致）
#define PERM_READ   (1 << 2)  // 4: 读权限
#define PERM_WRITE  (1 << 1)  // 2: 写权限
#define PERM_EXEC   (1 << 0)  // 1: 执行权限

// 解析权限并打印
void func(int perms) {
    printf("用户权限: ");
    printf(perms & USER_PERMS(PERM_READ)   ? "r" : "-");
    printf(perms & USER_PERMS(PERM_WRITE)  ? "w" : "-");
    printf(perms & USER_PERMS(PERM_EXEC)   ? "x" : "-");
    printf("\n");
}

int main() {
    // 组合权限：用户有读写，组有读，其他用户无权限
    int perms = (PERM_READ | PERM_WRITE)

    printf("权限掩码（八进制）: 0%o\n", perms);  // 输出: 0x6
    func(perms);
    
    return 0;
}

3.2 接口介绍

在这里插入图片描述
参数：

  • pathname：要打开或创建的目标文件
  • flags：打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行“或”运算，构成 flags。
    • O_RDONLY：只读打开
    • O_WRONLY：只写打开
    • O_RDWR ：读，写打开
      这三个常量，必须指定一个且只能指定一个
    • O_CREAT：若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明新文件的访问权限
    • O_APPEND：追加写

返回值：

  • 成功：新打开的文件描述符
  • 失败：-1

open函数具体使用哪个，和具体应用场景相关，如目标文件不存在，需要open创建，则第三个参数表示创建文件的默认权限；否则，使用两个参数的open。

write、read、close、lseek，类比c文件相关接口。

3.5 3-5 open函数返回值

在认识返回值之前，先来认识一下两个概念：系统调用和库函数

  • 上面的 fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数(libc)。
  • 而 open close read write lseek都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口

看下面这张图：
在这里插入图片描述
系统调用接口和库函数的关系，一目了然。
所以，可以认为，f# 系列的函数，都是对系统调用的封装，方便二次开发。

3.6 文件描述符 fd

  • 通过对open函数的学习，我们知道了文件描述符就是一个小整数

3.6.1 0 & 1 & 2

  • Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2。
  • 0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器
    所以输入输出还可以采用如下方式：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main()
{
	char buf[1024];
	ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));
	if (s > 0) {
		buf[s] = 0;
		write(1, buf, strlen(buf));
		write(2, buf, strlen(buf));
	} return 0;
}

在这里插入图片描述

3.6.2 文件描述符的分配规则：最小未使用下标优先

  1. 默认初始状态：
    进程启动时，内核会自动打开 3 个标准文件描述符：
    • 0：标准输入（stdin，默认关联键盘）
    • 1：标准输出（stdout，默认关联终端）
    • 2：标准错误（stderr，默认关联终端）
      因此，首次打开新文件时，文件描述符从 3 开始分配（依次递增：3、4、5…）。
  2. 关闭后复用：
    如果进程主动关闭某个文件描述符（如 close(0)），后续调用 open 时，内核会 扫描文件描述符表，选择最小的未被使用的下标 分配给新文件。
    • 例：关闭 0 后，新打开的文件会优先占用 0；
    • 若同时关闭 0 和 2，新打开的文件会依次占用 0、2，再继续递增（如 3、4…）。

代码验证：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>   // close
#include <fcntl.h>    // open, O_RDWR, O_CREAT

int main() {
    // 1. 初始打开：未关闭默认FD，从3开始
    int fd1 = open("test1.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    printf("fd1: %d\n", fd1);  // 输出：3（0、1、2已占用）

    // 2. 关闭标准输入（FD=0），后续打开优先复用0
    close(0); 
    int fd2 = open("test2.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    printf("fd2: %d\n", fd2);  // 输出：0（最小未使用下标）

    // 3. 关闭标准错误（FD=2），后续打开优先复用2
    close(2); 
    int fd3 = open("test3.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    printf("fd3: %d\n", fd3);  // 输出：2（当前最小未使用下标）

    // 4. 继续打开，下一个最小未使用是3（0、2已用，1仍被stdout占用）
    int fd4 = open("test4.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    printf("fd4: %d\n", fd4);  // 输出：3

    return 0;
}

运行结果：

fd1: 3  
fd2: 0  
fd3: 2  
fd4: 3

3.6.3 应用场景：重定向的实现

  1. 输出重定向示例：
# 将命令输出写入文件（本质是修改FD=1的指向）
ls -l > output.txt

实现逻辑：

  • Shell 先关闭 FD=1（标准输出），再打开 output.txt，此时新文件会占用 FD=1；
  • 后续 ls 命令的输出会写入 FD=1（即 output.txt），而非终端。
  1. 代码模拟重定向：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    // 1. 关闭标准输出（FD=1）
    close(1); 
    // 2. 打开新文件，会复用FD=1
    int fd = open("redirect.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    // 3. printf 会向 FD=1 写入（此时指向 redirect.txt）
    printf("Hello, Redirect!\n"); 
    close(fd);
    return 0;
}

运行后，redirect.txt 会包含 Hello, Redirect!，而非终端输出

注意事项

  • 关闭默认描述符（如 close(1)）后，若后续代码依赖标准输出（如 printf），会导致输出丢失或异常。
  • 建议使用 dup2 实现重定向（安全关闭旧描述符，避免冲突）。

重定向的本质：
在这里插入图片描述

3.6.4 dup2 系统调用

在这里插入图片描述

示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    // 1. 打开文件（获取新的文件描述符，如3）
    int fd = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed");
        return 1;
    }

    // 2. 将标准输出（FD=1）重定向到 fd 指向的文件
    if (dup2(fd, 1) == -1) {
        perror("dup2 failed");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 3. 此时 printf 会写入 output.txt，而非终端
    printf("Hello, dup2!\n");

    // 4. 关闭 fd（注意：标准输出仍指向 output.txt）
    close(fd);

    // 5. 验证：继续向标准输出写入
    fprintf(stdout, "This will also appear in output.txt\n");

    return 0;
}

printf是C库当中的IO函数，一般往stdout中输出，但是stdout底层访问文件的时候，找的还是fd:1，但此时，fd:1下标所表示内容，已经变成了myfifile的地址，不再是显示器文件的地址，所以，输出的任何消息都会往文件中写入，进而完成输出重定向。

五、缓冲区

5.1 什么是缓冲区

缓冲区是内存空间的一部分。也就是说，在内存空间中预留了一定的存储空间，这些存储空间用来缓冲输入或输出的数据，这部分预留的空间就叫做缓冲区。缓冲区根据其对应的是输入设备还是输出设备，分为输入缓冲区和输出缓冲区。

5.2 为什么要引入缓冲区机制

读写文件时，如果不会开辟对文件操作的缓冲区，直接通过系统调用对磁盘进行操作(读、写等)，那么每次对文件进行一次读写操作时，都需要使用读写系统调用来处理此操作，即需要执行一次系统调用，执行一次系统调用将涉及到CPU状态的切换，即从用户空间切换到内核空间，实现进程上下文的切换，这将损耗一定的CPU时间，频繁的磁盘访问对程序的执行效率造成很大的影响。

为了减少使用系统调用的次数，提高效率，我们就可以采用缓冲机制。比如我们从磁盘里取信息，可以在磁盘文件进行操作时，可以一次从文件中读出大量的数据到缓冲区中，以后对这部分的访问就不需要再使用系统调用了，等缓冲区的数据取完后再去磁盘中读取，这样就可以减少磁盘的读写次数，再加上计算机对缓冲区的操作大大快于对磁盘的操作，故应用缓冲区可大大提高计算机的运行速度。

又比如，我们使用打印机打印文档，由于打印机的打印速度相对较慢，我们先把文档输出到打印机相应的缓冲区，打印机再自行逐步打印，这时我们的CPU可以处理别的事情。可以看出，缓冲区就是一块内存区，它用在输入输出设备和CPU之间，用来缓存数据。它使得低速的输入输出设备和高速的CPU能够协调工作，避免低速的输入输出设备占用CPU，解放出CPU，使其能够高效率工作。

5.3 缓冲类型

标准I/O提供了3种类型的缓冲区。

  • 全缓冲区：这种缓冲方式要求填满整个缓冲区后才进行I/O系统调用操作。对于磁盘文件的操作通常使用全缓冲的方式访问。
  • 行缓冲区：在行缓冲情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库函数将会执行系统调用操作。当所操作的流涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），使用行缓冲方式。因为标准1/O库每行的缓冲区长度是固定的，所以只要填满了缓冲区，即使还没有遇到换行符，也会执行I/0系统调用操作，默认行缓冲区的大小为1024。
  • 无缓冲区：无缓冲区是指标准I/O库不对字符进行缓存，直接调用系统调用。标准出错流stderr通常是不带缓冲区的，这使得出错信息能够尽快地显示出来。

除了上述列举的默认刷新方式，下列特殊情况也会引发缓冲区的刷新：

  1. 缓冲区满时；
  2. 执行flush语句；

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