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前言

經(jīng)過(guò)我們上一篇對(duì)linux系統(tǒng)文件操作的學(xué)習(xí)想必我們已經(jīng)會(huì)使用系統(tǒng)文件接口了，今天我們就用系統(tǒng)文件接口來(lái)封裝一個(gè)像C語(yǔ)言庫(kù)那樣的文件操作函數(shù)的函數(shù)來(lái)加深我們對(duì)文件操作的學(xué)習(xí)。

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一、模擬C庫(kù)文件操作

首先我們創(chuàng)建相應(yīng)的.c? ?.h?以及main.c頭文件，然后我們寫一個(gè)makefile：

?接下來(lái)我們完善.h里面的代碼：

#pragma once

#include <stdio.h>
#define NUM 1024
#define BUFF_NONE 0x1
#define BUFF_LINE 0x2
#define BUFF_ALL  0x4
typedef struct _MY_FILE
{
  int fd;
  char outputbuffer[NUM];
  int flags;       //刷新策略
}MY_FILE;

MY_FILE* my_fopen(const char* path,const char* mode);
size_t my_fwrite(const void* ptr,size_t size,size_t nmemb,MY_FILE* stream);
int my_fclose(MY_FILE* fp);

?首先有一個(gè)文件結(jié)構(gòu)體，在這個(gè)結(jié)構(gòu)體中有文件描述符，有一個(gè)1024大小的緩沖區(qū)，還有控制刷新的標(biāo)志，我們?yōu)榱朔奖銓⒔Y(jié)構(gòu)體重命名為MY_FILE，既然有刷新策略那么我們就#define3個(gè)刷新策略，分別是無(wú)緩沖，行緩沖，全緩沖。然后我們實(shí)現(xiàn)三個(gè)函數(shù)，分別是打開(kāi)文件，寫入文件和關(guān)閉文件，這些函數(shù)我們都是通過(guò)系統(tǒng)接口調(diào)用所以參數(shù)與系統(tǒng)接口一致，下面我們進(jìn)行函數(shù)主體的編寫：

#include "mystdio.h"
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <malloc.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
MY_FILE* my_fopen(const char* path,const char* mode)
{
  //.識(shí)別標(biāo)識(shí)位
  int flag = 0;
  if (strcmp(mode,"r")==0)
  {
    flag|=O_RDONLY;
  }
  else if(strcmp(mode,"w")==0)
  {
    flag|=(O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC);
  }
  else if(strcmp(mode,"a")==0)
  {
    flag|=(O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND);
  }
  else 
  {

  }
  //2.嘗試打開(kāi)文件
  mode_t m = 0666;
  int fd = 0;
  if (flag & O_CREAT)
  {
    fd = open(path,flag,m);
  }
  else 
  {
    fd = open(path,flag);
  }
  if (fd<0)
  {
    return NULL;
  }
  //給用戶返回MY_FILE對(duì)象，需要先進(jìn)行構(gòu)建
  MY_FILE* mf = (MY_FILE*)malloc(sizeof(MY_FILE));
  if (mf==NULL)
  {
    close(fd);
    return NULL;
  }
  //4.初始化MY_FILE對(duì)象
  mf->fd = fd;
  mf->flags = BUFF_LINE;
  memset(mf->outputbuffer,'\0',sizeof(mf->outputbuffer));
  //my_outputbuffer[0] = 0;  //初始化緩沖區(qū)
  
  //5.返回打開(kāi)的文件
  return mf;
}
int my_fflush(MY_FILE* fp)
{
  return 0;
}
size_t my_fwrite(const void* ptr,size_t size,size_t nmemb,MY_FILE* stream)
{
  return 0;
}
int my_fclose(MY_FILE* fp)
{
  assert(fp);
  //1.沖刷緩沖區(qū)
  if (fp->current >0)
  {
    my_fflush(fp);
  }
  //2.關(guān)閉文件
  close(fp->fd);
  //3.釋放堆空間
  free(fp);
  //4.指針置NULL --- 可以設(shè)置可以不設(shè)置
  fp = NULL;
  return 0;
}

?下面我們一個(gè)函數(shù)一個(gè)函數(shù)的進(jìn)行講解，首先是fopen函數(shù)：

MY_FILE* my_fopen(const char* path,const char* mode)
{
  //.識(shí)別標(biāo)識(shí)位
  int flag = 0;
  if (strcmp(mode,"r")==0)
  {
    flag|=O_RDONLY;
  }
  else if(strcmp(mode,"w")==0)
  {
    flag|=(O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC);
  }
  else if(strcmp(mode,"a")==0)
  {
    flag|=(O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND);
  }
  else 
  {

  }
 
}

?對(duì)于打開(kāi)文件的函數(shù)我們要判斷用戶是什么模式下的打開(kāi)文件，我們?cè)O(shè)置標(biāo)志位為0，如果用戶輸入的方式是r只讀模式，就讓標(biāo)志位或上只讀選項(xiàng)，如果是w寫模式，這個(gè)時(shí)候要有三種實(shí)現(xiàn)，文件不存在就創(chuàng)建文件，只寫文件，寫之前先清空文件，搞定w模式后我們完成追加模式，對(duì)于a來(lái)講也有三種情況，文件不存在就創(chuàng)建文件，只寫文件，追加文件不進(jìn)行清空，搞定第一步后我們完成第二步打開(kāi)文件：

 //2.嘗試打開(kāi)文件
  mode_t m = 0666;
  int fd = 0;
  if (flag & O_CREAT)
  {
    fd = open(path,flag,m);
  }
  else 
  {
    fd = open(path,flag);
  }
  if (fd<0)
  {
    return NULL;
  }
 

?要打開(kāi)文件我們先創(chuàng)建一個(gè)默認(rèn)的文件權(quán)限0666，并且創(chuàng)建一個(gè)文件標(biāo)識(shí)符變量，判斷文件是否存在，如果存在就用不需要權(quán)限參數(shù)的open函數(shù)代開(kāi)文件，如果不存在則需要用三個(gè)參數(shù)的open函數(shù)打開(kāi)文件。如果返回值小于0說(shuō)明打開(kāi)文件失敗返回空指針。

  //3.給用戶返回MY_FILE對(duì)象，需要先進(jìn)行構(gòu)建
  MY_FILE* mf = (MY_FILE*)malloc(sizeof(MY_FILE));
  if (mf==NULL)
  {
    close(fd);
    return NULL;
  }
  //4.初始化MY_FILE對(duì)象
  mf->fd = fd;
  mf->flags = BUFF_LINE;
  memset(mf->outputbuffer,'\0',sizeof(mf->outputbuffer));
  //my_outputbuffer[0] = 0;  //初始化緩沖區(qū)
  
  //5.返回打開(kāi)的文件
  return mf;

?第三步給用戶返回一個(gè)文件對(duì)象，先創(chuàng)建一個(gè)指針用來(lái)開(kāi)一個(gè)MY_FILE的結(jié)構(gòu)體，然后判斷是否創(chuàng)建成功如果不成功我們就將文件關(guān)閉并且返回NULL，如果成功我們就初始化MY_struct中的參數(shù)，將文件標(biāo)識(shí)符傳過(guò)去，因?yàn)镃語(yǔ)言是行緩沖所以我們直接設(shè)為行緩沖，然后給結(jié)構(gòu)體中的緩沖區(qū)初始化。這些過(guò)程都結(jié)束了就返回打開(kāi)的文件。

int my_fclose(MY_FILE* fp)
{
  assert(fp);
  //1.沖刷緩沖區(qū)
  if (fp->current >0)
  {
    my_fflush(fp);
  }
  //2.關(guān)閉文件
  close(fp->fd);
  //3.釋放堆空間
  free(fp);
  //4.指針置NULL --- 可以設(shè)置可以不設(shè)置
  fp = NULL;
  return 0;
}

關(guān)閉文件的函數(shù)很簡(jiǎn)單，因?yàn)殛P(guān)閉文件前需要先刷新緩沖區(qū)所以我們?cè)趕truct中添加一個(gè)變量current來(lái)判斷是否需要刷新緩沖區(qū)，沖刷完緩沖區(qū)后將文件關(guān)閉，最后將malloc出來(lái)的struct結(jié)構(gòu)體空間釋放掉，為了安全起見(jiàn)可以將fp指針置為NULL。

#include "mystdio.h"
#define MYFILE "log.txt"

int main()
{
  MY_FILE* fp = my_fopen(MYFILE,"w");
  if (fp==NULL)
  {
    return 1;
  }

  my_fclose(fp);
  return 0;
}

?下面我們演示一下我們的文件操作成功與否：

?通過(guò)上圖我們可以看到我們寫的文件操作函數(shù)是成功的，只是有些功能我們還沒(méi)有去完善，如果都完善了可以替代C語(yǔ)言庫(kù)用我們自己的庫(kù)。

下面我們將fwrite接口補(bǔ)充完整：

//我們今天返回的就是一次實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)，我們就不返回個(gè)數(shù)了
size_t my_fwrite(const void* ptr,size_t size,size_t nmemb,MY_FILE* stream)
{
  //1.緩沖區(qū)如果已經(jīng)滿了，就直接寫入
  if (stream->current==NUM)
  {
    my_fflush(stream);
  }
  //2.根據(jù)緩沖區(qū)剩余情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝即可
  size_t user_size = size*nmemb;
  size_t my_size = NUM-stream->current;
  size_t writen = 0;
  if (my_size>=user_size)
  {
    memcpy(stream->outputbuffer+stream->current,ptr,user_size);
    //3.更新計(jì)數(shù)器字段
    stream->current+=user_size;
    writen = user_size;
  }
  else 
  {
    memcpy(stream->outputbuffer+stream->current,ptr,my_size);
    stream->current+=my_size;
    writen = my_size;
  }
  //4.開(kāi)始計(jì)劃刷新
  if (stream->flags & BUFF_ALL)
  {
    if (stream->current==NUM)
    {
      my_fflush(stream);
    }
  }
  else if(stream->flags & BUFF_LINE)
  {
    if (stream->outputbuffer[stream->current-1]=='\n')
    {
      my_fflush(stream);
    }
  }
  else 
  {

  }
  return writen;
}

?我們寫入的第一件事就是判斷緩沖區(qū)是否有空間，如果我們的緩沖區(qū)已經(jīng)滿了我們就直接把數(shù)據(jù)刷新出去。如果我們期望寫入4096字節(jié)，但是緩沖區(qū)只有1024字節(jié)，所以最后緩沖區(qū)只能輸出1024字節(jié)，所以下一步我們要根據(jù)緩沖區(qū)剩余情況進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝即可。current是當(dāng)前緩沖區(qū)有多少字符，并且current也是下一次緩沖區(qū)繼續(xù)寫入的下標(biāo)。接下來(lái)我們計(jì)算用戶傳的緩沖區(qū)有多大，再計(jì)算我們自己的緩沖區(qū)還剩下多少，如果我們的剩余空間是大于用戶的數(shù)據(jù)的，說(shuō)明我們的空間是足夠的，直接把用戶的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到我們自己的緩沖區(qū)即可，在這里要注意不能直接拷貝到stream->outbuffer,因?yàn)楫?dāng)前緩沖區(qū)很可能是有數(shù)據(jù)的我們不能覆蓋，只能從current的位置繼續(xù)拷貝，拷貝完成后記得更新我們緩沖區(qū)的位置，由于fwrite函數(shù)寫入成功會(huì)返回當(dāng)前寫入多少字節(jié)，所以我們用一個(gè)變量記錄當(dāng)前寫入了多少字節(jié)，如果我們當(dāng)前的空間不足以容納用戶傳來(lái)的空間，我們就只能拷貝我們剩余大小的空間，然后接下來(lái)我們計(jì)劃開(kāi)始刷新緩沖區(qū)，如果是全緩沖就等下標(biāo)等于NUM的時(shí)候刷新，如果是行刷新我們直接判斷current-1的位置是不是\n，如果是\n我們就進(jìn)行行刷新。最后返回寫入了多少字節(jié)就完成了，接下來(lái)我們完成刷新函數(shù)：

int my_fflush(MY_FILE* fp)
{
  assert(fp);
  write(fp->fd,fp->outputbuffer,fp->current);
  return 0;
}

?首先判斷fp是否為空指針，如果不是我們就進(jìn)行刷新，刷新我們直接用write函數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是文件描述符，第二個(gè)參數(shù)是緩沖區(qū)，第三個(gè)參數(shù)是寫入多少的大小，總體就是向文件描述符中寫入特定的緩沖區(qū)中的特定大小，接下來(lái)我們?cè)趍ain函數(shù)中試試我們的fwrite函數(shù)。

#include "mystdio.h"
#define MYFILE "log.txt"
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
  MY_FILE* fp = my_fopen(MYFILE,"w");
  if (fp==NULL)
  {
    return 1;
  }
  const char* str = "hello my fwrite";
  int cnt = 5;
  while (cnt)
  {
    char buffer[1024];
    snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s:%d\n",str,cnt--);
    size_t size = my_fwrite(buffer,strlen(buffer),1,fp);
    sleep(1);
    printf("當(dāng)前成功寫入：%lu個(gè)字節(jié)\n",size);
  }
  my_fclose(fp);
  return 0;
}

?接下來(lái)我們運(yùn)行一下看看效果：

?當(dāng)我們運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，其他的都沒(méi)問(wèn)題但是為什么多打印了那么多？因?yàn)槲覀兠看未蛴『蠖家匦滤⑿乱幌戮彌_區(qū)再進(jìn)行打印，否則每次都帶有之前舊的數(shù)據(jù)被打印出來(lái)，下面我們將緩沖區(qū)函數(shù)改一下：

int my_fflush(MY_FILE* fp)
{
  assert(fp);
  write(fp->fd,fp->outputbuffer,fp->current);
  //刷新后清理緩沖區(qū)
  fp->current = 0;
  return 0;
}

?通過(guò)上圖我們可以看到這次的程序是成功完成。這就是我們模擬的文件操作，通過(guò)這樣的實(shí)現(xiàn)我們更深刻的理解了系統(tǒng)文件操作。

二、磁盤文件

一個(gè)文件在不被打開(kāi)的時(shí)候是存儲(chǔ)在磁盤中的，那么這個(gè)文件如何在磁盤中合理的存儲(chǔ)呢？要了解文件如何在磁盤中存儲(chǔ)，我們要先了解磁盤，如下圖所示：

?磁盤有幾個(gè)重要的接口，分別是馬達(dá)，盤片，磁頭，一個(gè)磁頭可以讀取一個(gè)面的數(shù)據(jù)。磁盤中每個(gè)數(shù)據(jù)都是0 1，,01?的表示有很多種，波峰波谷，南極北極等，并且磁頭和盤面是不接觸的，只不過(guò)他們離的距離很近，下面是盤面的結(jié)構(gòu)：

在盤面上有扇區(qū)和磁道，一般的磁盤所有的扇區(qū)都是512字節(jié)，那么如何在硬件上定位一個(gè)扇區(qū)呢？要定位扇區(qū)首先要定位哪一個(gè)盤面，而盤面又是通過(guò)磁頭確定的，因?yàn)榇蓬^有相應(yīng)的編號(hào)，通過(guò)磁頭的編號(hào)就能找到哪個(gè)面了，找到面后我們要找扇區(qū)需要先定位在哪一個(gè)磁道，而磁道是通過(guò)半徑?jīng)Q定的，在確定在該磁道在哪一個(gè)扇區(qū)，根據(jù)扇區(qū)的編號(hào)定位一個(gè)扇區(qū)。理解了以上的知識(shí)，我們就能談文件是如何在磁盤中存儲(chǔ)的了，一個(gè)普通文件（屬性+數(shù)據(jù)）都是數(shù)據(jù)0,1,對(duì)于0 1這樣的數(shù)據(jù)無(wú)非就是占用一個(gè)或者多個(gè)扇區(qū)，來(lái)進(jìn)行自己的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的，我們既然能夠用CHS定位任意一個(gè)扇區(qū)，我們就能定位任意多個(gè)扇區(qū)，從而將文件從硬件角度，進(jìn)行讀取或者寫入。

下面我們根據(jù)操作系統(tǒng)和磁盤的關(guān)系分析一下磁盤：

根據(jù)我們上面的描述，如果操作系統(tǒng)能夠得知任意一個(gè)CHS地址，就能訪問(wèn)任意一個(gè)扇區(qū)，那么操作系統(tǒng)內(nèi)部是不是直接使用的CHS地址呢？答案其實(shí)不是，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)是軟件，磁盤是硬件，硬件定位一個(gè)地址，如果操作系統(tǒng)直接用了這個(gè)地址，玩意硬件變了呢？這樣的話操作系統(tǒng)也要發(fā)生變化，操作系統(tǒng)要和硬件做好解耦工作所以不能直接用硬件上的地址。并且扇區(qū)才512字節(jié)，操作系統(tǒng)實(shí)際向外設(shè)寫入的基本單位是4KB，與扇區(qū)并不符合，所以操作系統(tǒng)需要有一套新的地址來(lái)進(jìn)行塊級(jí)別的訪問(wèn)?，F(xiàn)在我們畫一張圖表示一下磁道中的扇區(qū)結(jié)構(gòu)：

?每一個(gè)扇區(qū)都是512，我們從頭開(kāi)始數(shù)512就找到了第一個(gè)扇區(qū)。這就印證了計(jì)算機(jī)常規(guī)的訪問(wèn)方式：起始地址 +?偏移量的方式，也就是說(shuō)我們只需要知道數(shù)據(jù)塊的起始地址（第一個(gè)扇區(qū)的下標(biāo)地址）+4KB（塊的類型）如下圖所示：

?所以塊的地址，本質(zhì)就是數(shù)組的一個(gè)下標(biāo)N，以后我們表示一個(gè)塊，我們可以采用線性下標(biāo)N的方式定位任何一個(gè)塊了。OS->N->LBA->邏輯塊地址，前面我們說(shuō)了，磁盤只認(rèn)CHS方式，所以要讓這兩個(gè)聯(lián)系起來(lái)就需要LBA到CHS互相轉(zhuǎn)化。就拿我們的電腦而言，我們進(jìn)入我的電腦發(fā)現(xiàn)有ABCD 4個(gè)盤或者幾個(gè)盤，而實(shí)際只有一個(gè)盤，是因?yàn)閷⑦@一個(gè)盤分區(qū)管理得到的四個(gè)盤，就如下圖所示：

?如上圖所示，我們將500G的磁盤分為150G一組，那么在這個(gè)150G的盤中都有什么呢？其實(shí)上圖已經(jīng)給出答案了，Boot Block主要保存與操作系統(tǒng)啟動(dòng)相關(guān)的內(nèi)容，比如分區(qū)表，操作系統(tǒng)鏡像的地址等，所以一般分區(qū)會(huì)在0號(hào)盤面0號(hào)磁道1號(hào)扇區(qū)保存的，對(duì)應(yīng)的在C盤的某個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)，而這個(gè)塊又被稱為啟動(dòng)塊，如果這個(gè)塊壞了就不能開(kāi)機(jī)了。文件=?內(nèi)容+屬性，linux下是將內(nèi)容和屬性分離的。

1.SuperBlock保存的是文件系統(tǒng)的所有屬性信息，比如文件系統(tǒng)的類型，整個(gè)分組的情況。而SuperBlock在各個(gè)分組里面可能都存在，而且是統(tǒng)一更新的，這樣做的原因是防止SuperBlock區(qū)域壞掉，如果出現(xiàn)故障，整個(gè)分區(qū)不可以再被使用。?

2.GroupDescriptorTable：組描述符，改組內(nèi)的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)等屬性信息。

3.inodeTable:一個(gè)文件內(nèi)部所有屬性的集合，inode節(jié)點(diǎn)（128字節(jié)），一個(gè)文件一個(gè)inode，其中即便是一個(gè)分區(qū)，內(nèi)部也會(huì)存在大量的文件即會(huì)存在大量的inode節(jié)點(diǎn)，一個(gè)group需要有一個(gè)區(qū)域，專門保存該group內(nèi)的所有文件的inode節(jié)點(diǎn)。分組內(nèi)部，可能存在多個(gè)inode，需要將inode區(qū)分開(kāi)來(lái)，每一個(gè)inode都有自己的inode編號(hào)，inode編號(hào)也屬于對(duì)應(yīng)文件的屬性id。

4.DateBlocks:文件的內(nèi)容是變化的，我們是用數(shù)據(jù)塊來(lái)進(jìn)行文件的內(nèi)容的保存的，所以一個(gè)有效文件要保存內(nèi)容，就需要[1,n]數(shù)據(jù)塊，那么如果是多個(gè)文件所以就需要更多的數(shù)據(jù)塊，而DateBlock就是保存這些數(shù)據(jù)塊的。而linux查找文件是要根據(jù)inode編號(hào)來(lái)進(jìn)行文件查找的，包括讀取內(nèi)容，一個(gè)inode對(duì)應(yīng)一個(gè)文件，而改文件inode屬性和改文件對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊是有映射關(guān)系的。

5.塊位圖BlockBitmap:BlockBitmap中記錄著DateBlock中哪個(gè)數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被占用，哪個(gè)數(shù)據(jù)塊沒(méi)有被占用。

6.inode位圖inodeBitmap:每個(gè)bit表示一個(gè)inode是否空閑可用

總結(jié)

本篇文章的主要內(nèi)容是在上一篇文件操作的基礎(chǔ)上再次深刻理解系統(tǒng)文件操作，然后我們又大致講解了磁盤的物理空間是什么樣的是如何存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，通過(guò)軟硬件共同學(xué)習(xí)我們能知道文件的各個(gè)屬性在磁盤中是如何存儲(chǔ)的，每個(gè)分區(qū)又有什么塊的知識(shí)，下一篇文章我們將詳細(xì)介紹文件的軟硬鏈接。

?

到了這里，關(guān)于【linux】：模擬文件基本操作以及文件在磁盤中如何存儲(chǔ)的學(xué)習(xí)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！