??作者： 華丞臧.
??????專欄：【LINUX】
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一、Linux文件系統(tǒng)

1.1 磁盤

信息化時代就是信息產(chǎn)生價值的時代，信息化是當(dāng)今時代發(fā)展的大趨勢，代表著先進(jìn)生產(chǎn)力。通常我們都會將信息存放在某些硬件上，如：硬盤、內(nèi)存等；當(dāng)信息存放硬盤上時，信息就變成了硬盤上的文件，人們通過一些設(shè)備如電腦手機(jī)可以查看使用這些數(shù)據(jù)，我們的工作和生活，已經(jīng)完全離不開視頻、音樂、圖片、文本、表格這樣的數(shù)據(jù)文件。

• 磁盤上存放著大量的文件，這些文件需要被管理組織起來，操作系統(tǒng)中管理和存儲文件信息的軟件機(jī)構(gòu)稱為文件系統(tǒng)。
• 最開始存放數(shù)據(jù)的硬件是磁盤，隨著時代發(fā)展，像我們的筆記本電腦大多使用SSD硬盤，但是磁盤還是主要的存儲設(shè)備，可以用存放大量的數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是便宜。
• 下圖是一張磁盤的結(jié)構(gòu)圖，磁盤的核心就是這些盤面，盤面能夠記錄二進(jìn)制序列，其原理就是通過電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場來改變某些特定位置的磁極從而將電信號持久化到磁盤上。

• 磁盤工作時是處于一種高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，磁頭依靠磁盤的高速旋轉(zhuǎn)引起的空氣動力效應(yīng)懸浮在盤面上，磁頭在副軸馬達(dá)的帶動下可以在極短的時間內(nèi)精確的切換到數(shù)據(jù)所在的磁道。

• 磁盤是一種高精度的設(shè)備，在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，磁面上的一?；覊m都可能會導(dǎo)致磁盤損壞，因此磁盤通常是在無塵的環(huán)境下密封。

• 每一個盤面都對應(yīng)一個磁臂，通過這些磁臂上的磁頭來定位數(shù)據(jù)的位置，依次確定磁道（柱面）、盤面、以及扇區(qū)，這三個值稱為CHS地址。
  

• 扇區(qū)是硬盤的最小操作單位，但扇區(qū)對于操作系統(tǒng)來說還是太小了，一般操作系統(tǒng)有自己的硬盤操作最小單位，在linux下一般為4k。
  

• 為了方便管理數(shù)據(jù)，我們可以將硬盤這樣的物理塊設(shè)備，分割成多個邏輯塊設(shè)備。或者，我們也可以將多個物理塊設(shè)備，組合成一個容量更大的邏輯塊設(shè)備。

• 操作系統(tǒng)需要管理磁盤，將磁盤抽象為一個線性的結(jié)構(gòu)，類似于卷尺拉出來是線性的收進(jìn)去是圓形的，因此我們可以將磁盤想象成線性的結(jié)構(gòu)數(shù)組，對磁盤的管理就可以轉(zhuǎn)換成對數(shù)組空間的管理了。

• 假設(shè)磁盤抽象的出的數(shù)組為sector disk[100000000]，那么我們定位一個扇區(qū)只需要數(shù)組的下標(biāo)即可（這種下標(biāo)稱為LBA–邏輯塊地址），將LBA轉(zhuǎn)換成CHS地址，再將數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的磁盤上去。
  

• 磁盤上存儲的基本單位是扇區(qū)（512字節(jié)常規(guī)），文件系統(tǒng)訪問磁盤的基本單位是4KB，即一次IO訪問8個扇區(qū)。

• 這樣做有兩個好處：一、提高IO的效率 ；二、讓軟件（OS）和硬件（磁盤）具有強(qiáng)相關(guān)性即解耦合。

1.2 inode

使用ll查看文件，除了文件名還可以看到文件的其他屬性，如下圖：

每行包含7列：

• 模式：代表文件的類型以及權(quán)限
• 硬鏈接數(shù)
• 文件所有者
• 所屬組
• 文件大小
• 最后修改時間
• 文件名

如果需要查看文件更詳細(xì)的信息可以使用stat命令，如下圖：

在上圖中我們可以看到文件屬性中有一個Inode字段，在Linux系統(tǒng)中inode用于表示唯一的一個文件。

• 不管是在Windows平臺還是在Linux系統(tǒng)中，我們都可以通過絕對路徑或相對路徑找到一個唯一的文件，前提是在同一目錄下都不允許重名的文件出現(xiàn)。
• 文件是存放在磁盤上的，不管是普通文本文件還是文件夾（Linux上通常稱為目錄）都屬于文件的一種，目錄也是文件；在這種情況下，操作系統(tǒng)如何在磁盤上查找到目標(biāo)文件的呢 —— 給定一個一對一的映射關(guān)系。

Linux ext2文件系統(tǒng)，下圖為磁盤一個分區(qū)的文件系統(tǒng)圖（內(nèi)核內(nèi)存映像肯定有所不同），磁盤是典型的塊設(shè)備，硬盤分區(qū)被劃分為一個個的block。一個block的大小是由格式化的時候確定的，并且不可以更改。例如mke2fs的-b選項(xiàng)可以設(shè)定block大小為1024、2048或4096字節(jié)。而下圖中啟動塊（Boot Block）的大小是確定的。

• 啟動塊（Boot Block）：里面包含操作系統(tǒng)的位置以及分區(qū)表，開機(jī)信息。
• Block Group ：ext2文件系統(tǒng)會根據(jù)分區(qū)的大小劃分為數(shù)個Block Group。而每個Block Group都有著相同的結(jié)構(gòu)組成。
• 超級塊（Super Block）：存放文件系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)據(jù)的時間，最近一次檢驗(yàn)磁盤的時間等其他文件系統(tǒng)的相關(guān)信息。Super Block的信息被破壞，可以說整個文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就被破壞了，因此超級快通常會備份一定數(shù)量。
• GDT(Group Descriptor Table) ：塊組描述符，描述塊組屬性信息，記錄inode數(shù)、起始inode編號、block使用量以及剩余量等等信息。
• 塊位圖（Block Bitmap）：Block Bitmap中記錄著Data Block中哪個數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被占用，哪個數(shù)據(jù)塊沒有被占用。
• inode位圖（inode Bitmap）：每個bit表示一個inode是否空閑可用。
• i節(jié)點(diǎn)表（inode table）：以128字節(jié)為單位，存放文件屬性 如 文件大小，所有者，最近修改時間等。
• 數(shù)據(jù)區(qū)（Data Blocks）：以4KB為單位，存放文件內(nèi)容。

在inode table中保存了文件對應(yīng)的所有屬性，那么一個inode如何與屬于自己的文件內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來呢？

struct inode
{
	// 文件所有屬性
	...
	blocks[15];
	...
}
//在inode的結(jié)構(gòu)體中包含一個blocks的數(shù)組，這個數(shù)組保存了文件對應(yīng)的block編號
//其中[0, 11]：直接保存該文件的blocks編號
//[12, 15]：指向一個datablock但是這個datablock不保存有效數(shù)據(jù)，而保存該文件所對應(yīng)的其它塊編號

還要注意的是，文件名也是文件屬性，但是inode里面并不保存文件名；Linux下，底層實(shí)際都是通過inode編號來標(biāo)識文件。那么操作系統(tǒng)是如何準(zhǔn)確幫用戶通過文件名找到對應(yīng)的文件內(nèi)容呢？首先，用戶對文件進(jìn)行操作時都是在一個目錄下，不管是創(chuàng)建還是刪除。其次目錄也是一個文件，既然是文件就有屬性和內(nèi)容，其屬性與普通文件類似，那么目錄文件的內(nèi)容是什么呢？

文件名并沒有被保存在文件內(nèi)容中，操作系統(tǒng)又必須通過文件名幫用戶查找文件內(nèi)容，所以文件inode和文件名必須具有映射關(guān)系并且記錄下來，在Linux系統(tǒng)中文件名和文件inode的映射關(guān)系被保存在目錄的內(nèi)容中。同時我們也注意到，Linux同一個目錄下，不可以創(chuàng)建多個同名文件，這說明文件名本身是一個具有Key值的東西。

• 創(chuàng)建一個新文件：當(dāng)我們創(chuàng)建好一個新文件時，操作系統(tǒng)會找到自己所處的目錄下，根據(jù)目錄的inode編號查找到目錄的datablock，然后將文件名和inode映射關(guān)系寫入目錄的數(shù)據(jù)塊中。
• 刪除文件：操作系統(tǒng)刪除一個文件并不會直接清除數(shù)據(jù)，而是將標(biāo)記該文件對應(yīng)的屬性和數(shù)據(jù)塊的相關(guān)位圖清除（由1置0），所以刪除的文件是可以恢復(fù)的。

1.3 軟硬鏈接

• 硬鏈接：通過索引節(jié)點(diǎn)（inode）來鏈接。
• 軟鏈接：通過名字引用另外一個文件。
• 通過ls -l可以查看文件的硬鏈接數(shù)：
  

//創(chuàng)建一個軟鏈接
ln -s 目標(biāo)文件名 軟鏈接名

//查看文件inode編號
ls -i

上圖可以看到軟鏈接和目標(biāo)文件使用的inode編號是不同的，軟鏈接具有獨(dú)立的inode編號；并且通過軟鏈接mytest文件可以直接運(yùn)行目標(biāo)文件test，軟鏈接相當(dāng)于一個快捷方式，類似Windows系統(tǒng)，其中所保存的內(nèi)容是指向文件所在路徑。

//創(chuàng)建一個硬鏈接
ln 目標(biāo)文件 硬鏈接名

硬鏈接不是獨(dú)立的文件，相當(dāng)于一個指針，指向某一個inode，而硬鏈接數(shù)就是引用計數(shù)，有幾個硬鏈接指向該inode編號硬鏈接數(shù)就是幾。

Linux中我們常見目錄如下
.  ：當(dāng)前目錄
.. ：上一級目錄

這兩個目錄就是硬鏈接

軟硬鏈接的區(qū)別：軟鏈接是一個獨(dú)立的文件，有自己獨(dú)立的inode編號；硬鏈接不是一個獨(dú)立的文件，它和目標(biāo)文件使用的是同一個inode。

1.4 動靜態(tài)庫

• 靜態(tài)庫：程序在編譯鏈接的時候把庫的代碼鏈接到可執(zhí)行文件中，程序運(yùn)行的時候?qū)⒉辉傩枰o態(tài)庫；靜態(tài)庫Linux下后綴為.a文件，windows下后綴為.lib文件。
• 動態(tài)庫：程序在運(yùn)行的時候才去鏈接動態(tài)庫的代碼，多個程序共享使用庫的代碼。動態(tài)庫Linux下后綴為.so文件，windows下后綴為.dll文件。在Linux下，程序生成默認(rèn)是動態(tài)連接。
• 動態(tài)庫可以在多個程序間共享，所以動態(tài)鏈接使得可執(zhí)行文件更小，節(jié)省了磁盤空間。操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存機(jī)制允許物理內(nèi)存中的一份動態(tài)庫被要用到該庫的所有進(jìn)程共用，節(jié)省了內(nèi)存和磁盤空間。

測試程序
 /add.h/
 #ifndef __ADD_H__
 #define __ADD_H__ 
 
 int add(int a, int b); 
 #endif // __ADD_H__
 /add.c/
 #include "add.h"
 
 int add(int a, int b)
 {
 	return a + b;
 }
 /sub.h/
 #ifndef __SUB_H__
 #define __SUB_H__ 
 
 int sub(int a, int b); 
 #endif // __SUB_H__
 /add.c/
 #include "add.h"
 
 int sub(int a, int b)
 {
 	return a - b;
 }
 ///main.c
 #include <stdio.h>
 #include "add.h"
 #include "sub.h"
 
 int main( void )
 {
 	int a = 10;
 	int b = 20;
 	printf("add(10, 20)=%d\n", a, b, add(a, b));
 	a = 100;
 	b = 20;
 	printf("sub(%d,%d)=%d\n", a, b, sub(a, b));
 }

//生成靜態(tài)庫
ar -rc libmymath.a add.o sub.o 
ar是gnu歸檔工具，rc表示(replace and create)

//查看靜態(tài)庫中的目錄列表
ar -tv libmymath.a   
t:列出靜態(tài)庫中的文件

//gcc編譯鏈接第三方庫
gcc main.c -L. -lmymath
-L 指定庫路徑
-l 指定庫名

將生成的靜態(tài)庫刪除后，程序依舊可以正常運(yùn)行，如下圖：

//生成動態(tài)庫
//shared: 表示生成共享庫格式
//fPIC：產(chǎn)生位置無關(guān)碼(position independent code)
//庫名規(guī)則：libxxx.so
gcc -fPIC -c sub.c add.c
gcc -shared -o libmymath.so add.o sub.o

同樣是上面的add.c和sub.c文件形成.o文件再生成一個動態(tài)庫，將動態(tài)庫使用gcc編譯main.c文件形成可執(zhí)行文件，在刪除動態(tài)庫之后，此時與靜態(tài)庫不同，該文件運(yùn)行出錯表示該動態(tài)庫不存在。
那么鏈接靜態(tài)庫的時候?yàn)槭裁礇]有這個問題呢？或者說鏈接動態(tài)庫和靜態(tài)庫兩者的區(qū)別是什么呢？

• 靜態(tài)鏈接，是將所需要的庫文件中的代碼拷貝進(jìn)我們自己的代碼中，然后再形成一個可執(zhí)行程序，運(yùn)行時程序中已經(jīng)包含了庫中的代碼不需要依賴庫。
• 與靜態(tài)鏈接不同，一個與動態(tài)庫鏈接的可執(zhí)行文件僅僅包含它用到的函數(shù)入口地址的一個表，而不是外部函數(shù)所在目標(biāo)文件的整個機(jī)器碼；在可執(zhí)行文件開始運(yùn)行以前，外部函數(shù)的機(jī)器碼由操作系統(tǒng)從磁盤上的該動態(tài)庫中復(fù)制到內(nèi)存中，這個過程稱為動態(tài)鏈接。

我們使用的庫都是存放在磁盤上的文件，動態(tài)鏈接的可執(zhí)行程序運(yùn)行時會將動態(tài)鏈接庫加載到內(nèi)存中，加載到內(nèi)存中的庫代碼只有一份，進(jìn)程通過頁表將進(jìn)程地址空間和庫鏈接起來，當(dāng)使用動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)時會跳轉(zhuǎn)到庫中運(yùn)行。
文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-442790.html

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