[Linux]基础IO

C文件IO相关操作

当前路径：进程运行的时候，所处的路径叫做当前路径

打开文件的时候，一定是进程运行的时候才打开的
在Linux中，一切皆是文件（显示器、键盘也是文件）

printf 打印 -> 写入到显示器文件中

任何进程在运行的时候，都会默认打开3个输入输出流：
stdin（标准输入流）：键盘——0
这是程序默认接收输入的流，通常指从键盘输入的数据。程序从这个流中读取数据。你可以通过键盘输入字符或命令，程序会通过标准输入流获取这些信息。

stdout（标准输出流）：显示器——1
这是程序默认输出结果的流，通常是输出到显示器上的文本。例如，你在屏幕上看到的打印信息或输出的结果，都是通过标准输出流传递的。

stderr（标准错误流）：显示器——2
这是程序用来输出错误信息的流。不同于标准输出流，标准错误流专门用于显示程序错误、警告或其他异常情况的消息。虽然默认也输出到显示器，但stderr的输出通常被独立处理，以便于错误信息和正常输出分开管理。

在计算机中，流（stream）是一种用于在程序中处理输入和输出（I/O）数据的抽象概念。流可以是数据传输的通道，通过它，程序可以与外部世界进行交互。流的类型主要有两种：输入流（input stream）和输出流（output stream）。

系统函数参数传参标志位：int、32bit、理论上可以传递32种标志位

例如：

二进制序列中只有1bit是1
#define X 0x1
#define Y 0x2
#define Z 0x4open(arg1, arg2 = X | Y , arg3) // 通过按位或 | 合并多个标志，生成一个整数值
{// 若 arg2 包含 X，则 arg2 & X 结果为非零（条件为真）if(arg2 & X){}if(arg2 & Y){}
}	
可以用bit位在参数中传送多个选项
这些宏特点是只有一个二进制位为1
int fd = open("log.txt", 0_WRONLY | 0_CREAT, 0666); // 一次可以传递2个标志位 用 | 的方式

关闭文件：

#include <unistd.h>close(fd);

一个进程可以打开多个文件吗？——可以

系统中，任意时刻，都可能存在大量的已经打开的文件（打开的文件——文件管理——先描述在组织 ）

磁盘文件与内存文件

1、磁盘文件（持久化存储层面）

磁盘文件是存储在硬盘（或者其他持久化存储介质）上的文件。

文件系统会为其维护文件名、文件内容、以及各种元信息（metadata），如大小、权限、创建/修改时间、所有者等。

当进程想要访问某个文件时，需要通过系统调用（如 open()）让操作系统内核去查找磁盘上的该文件，并为进程创建相应的内核数据结构（如 struct file）来管理打开的文件。
磁盘文件：文件 = 内容 + 属性（即元信息，如修改日期 类型 等）

2、内存文件（进程打开后的内核层面）

当进程打开一个文件后，在内核中会分配一个与该文件对应的内存数据结构（通常是 struct file 或者跟它相关的结构体，比如 file、inode、dentry 等），也可以把它理解成“内存文件”或“打开文件的内存表示”。

这些数据结构包含了：

文件指针（文件偏移量，即当前读写的位置）。

指向文件元信息的指针（如 inode、dentry，里面包含文件在磁盘上的各种信息）。

缓冲区/缓存相关信息：操作系统会对文件进行缓存（page cache / buffer cache），以便加速读写。

引用计数等其他管理信息（比如有多少进程共享打开这个文件描述符）。

因为每个进程都可能打开多个文件，所以操作系统会限制单个进程能打开的最大文件描述符数。这个限制可以通过系统参数（如 ulimit -n）进行修改。

3、「内存文件」和「磁盘文件」的区别与联系

a）持久化 vs 临时性

磁盘文件是持久化的，保存在文件系统中，不会因为进程退出而消失（除非显式删除）。

内存文件（打开时对应的 struct file 等）只是进程运行时的状态，进程退出或关闭文件后，这些结构就被内核释放了。

b）内容与属性

磁盘文件不仅有真正的文件内容，还在文件系统中保存着各种元信息（权限、时间戳、所有者等）。

内存文件则是内核为该文件创建的管理结构，里面记录了当前读写位置、引用计数、缓存信息等，更多是“状态”和“指针”，本身并不真正存储文件的所有内容（实际内容还在内核的缓存区或者磁盘中）。

c）打开/关闭文件的过程

当用户通过 open() 打开一个磁盘文件时，内核会做以下工作：

找到文件系统中的对应文件（磁盘文件）。

创建/获取对应的 inode、dentry 等对象。

为该文件创建或复用 struct file 结构，并初始化读写偏移、权限检查、缓存等信息。

返回一个文件描述符（fd）给用户进程。

关闭文件时（如 close(fd)），内核会相应地更新内存数据结构的引用计数，如果引用计数为 0，就释放这些结构。磁盘文件则依旧保存在文件系统里。

d）文件读写时的数据流

当进程对一个已打开的文件进行读写时，通常会先访问内核的缓存（Page Cache/Buffer Cache）。如果缓存中没有数据或者缓存失效，则会触发对磁盘文件的实际 I/O。

这就是图中所说的“延迟 fd 读等待缓冲数据”“缓冲区”等概念——内核会将部分文件内容读到内存里，也会把进程写入的数据先放到内存缓存中，然后再同步回磁盘。

“一个进程可以打开多少个文件？可以无限吗？”
1、理论上如果没有操作系统和硬件的限制，打开文件数可以很多，但实际上操作系统会对单个进程以及系统整体可打开文件数做限制。
2、如果打开文件数过多，会导致系统资源耗尽（文件描述符表、内核缓存、内存等），影响稳定性。

磁盘文件与内存文件类似于程序与进程的关系

补充：内核

在计算机系统中，“内核”（Kernel）指的是操作系统的核心组件，它负责管理系统资源和硬件设备，并为用户程序提供各种服务。主要包括以下几个方面：

1、资源管理

内存管理：负责分配和回收内存空间，管理虚拟内存。
CPU调度：决定哪些进程或线程优先获得CPU时间。
设备管理：控制和协调硬件设备（如磁盘、网络、输入/输出设备）的使用。

2、系统调用接口

内核提供系统调用接口，用户程序通过这些接口请求操作系统执行底层操作，如文件读写、网络通信、进程创建等。

3、安全和权限控制

内核负责对系统资源进行保护，确保各个程序在受限的权限下运行，防止恶意访问和破坏。

简单来说，内核就像一个“大管家”，在后台协调各种系统资源，确保整个计算机系统能够高效、稳定地运行。

inode（index node）

什么是 inode？
inode 是文件系统内部的一个数据结构，用来保存一个文件的各种“描述信息”（叫做元数据），而不是文件的实际内容。
每个文件在磁盘上都有一个唯一的 inode（用一个数字来标识）inode 里包含哪些信息？
文件大小：记录文件有多大。
所有者和权限：谁能读、写、执行这个文件。
时间戳：包括文件最后被访问、修改或状态改变的时间。
数据块指针：指向存储文件实际内容的磁盘块的位置。
硬链接计数：告诉我们有多少个文件名指向这个 inode。文件系统结构中 inode 的位置
在一个文件系统中，磁盘通常被分成若干块。以 ext2 文件系统为例：
超级块：记录整个文件系统的总体信息。
块组：每个块组中包含了 inode 表（存储所有 inode 的地方）、inode 位图（标记 inode 是否被使用）、数据块位图（标记数据块是否被使用）和数据块（真正存放文件内容）。文件操作中 inode 的作用
创建文件时：
分配一个空闲的 inode，并把文件的元数据写进去。
分配磁盘数据块，把文件内容写进去。
在目录中记录这个文件名与 inode 号的映射关系。
删除文件时：
系统会减少这个 inode 的硬链接计数。如果计数变成 0，系统会释放 inode 和占用的数据块。

inode（索引节点） 是文件系统中用于描述文件元数据的结构，包含以下信息：
文件大小、所有者、权限、时间戳（访问、修改、属性变更时间）。
文件数据块的存储位置（指向实际数据块的指针）。
硬链接数（记录有多少文件名指向该inode）。

唯一性：每个文件对应一个唯一的inode号，通过 ls -i 可查看

$ ls -i test.c
263715 test.c  # inode号为263715

硬链接与软连接

硬链接

什么是硬链接？
硬链接就是让多个不同的文件名指向同一个 inode，也就是同一个文件。
每个文件名实际上只是这个 inode 的一个“别名”。

举例子讲解：
硬链接（Hard Link）：想象你有一个房子（代表实际存储数据），它有一扇门（文件名A）供你进入。当你创建一个硬链接时，就相当于你在房子另一侧又装了一扇门（文件名B），这扇门直接通向同一个房子。无论你从哪扇门进入（A或B），看到的都是同一个房子（数据完全相同）。如果你拆掉一扇门（比如删除文件名A），房子依然存在，你还可以通过另一扇门（文件名B）进入。这就是硬链接：多个名字共享同一个数据块（文件的实际内容和相关信息），它们完全等价。

硬链接的特点
相同 inode 号：多个硬链接文件指向的 inode 号都是一样的。
删除文件：如果删除其中一个硬链接，只是减少了 inode 的链接计数；只要还有其他硬链接存在，文件内容就不会消失。
限制：
不能跨越不同的文件系统（因为 inode 是文件系统内部的）。
通常不允许对目录创建硬链接，防止造成目录结构混乱。
即：
共享数据：两个文件名共同引用同一份数据，修改任一文件的数据都会反映在另一文件上。
删除保护：删除其中一个文件名不会丢失数据，只要还有至少一个硬链接存在。
灵活管理：可以让同一文件在不同位置拥有不同的名称，便于系统管理和备份。

创建一个硬链接：
ln a.txt b.txt
# 这条命令的意思是创建一个硬链接，让文件 b.txt 指向与 a.txt 相同的文件数据。
# 也就是说，系统中会有两个文件名（a.txt 和 b.txt），但它们都指向同一个底层数据（同一个 inode）。

软连接

什么是软链接？
软链接类似于 Windows 系统中的“快捷方式”。它本身是一个独立的文件，里面存储了目标文件的路径。
软链接就像是路边的一块指示牌，上面写着“去房子A”。这块牌本身并不代表房子，而只是告诉你如何去找房子。软链接本身是一个独立的文件，它存储了目标文件的路径。如果目标房子（目标文件）搬走或者被拆除了，这块指示牌（软链接）依然存在，但已经找不到房子了，牌上的指引就无效了。

软链接的特点
独立 inode：软链接有自己的 inode，不与目标文件相同。
跨文件系统：可以指向其他文件系统中的文件。
删除目标文件：如果原文件被删除，软链接就找不到目标文件，这时称为“悬空链接”。
可以链接目录：软链接不仅可以链接文件，还可以链接目录。

即
独立存在：软连接有自己的文件标识（自己的 inode），但它的内容只是一条指向目标文件路径的指针。
跨分区：软连接可以指向其他磁盘分区的文件，因为它只是保存路径，不直接关联底层存储信息。
原文件删除问题：如果目标文件被删除了，软连接就“失效”了，因为它指向的地址已经没有内容。

如果你用 ln -s a.txt c.txt 创建软链接，c.txt 里面保存的是“a.txt”的路径。当你访问 c.txt 时，系统会读取里面的路径，然后找到 a.txt 的内容。删除时：如果 a.txt 被删除了，c.txt 依然存在，但它指向的位置已经没有数据了，访问 c.txt就会出错。

总结

为何需要两种链接？

场景互补：
硬链接：适合需要高效、稳定访问同一数据的场景（如日志文件的多个引用）。
软链接：适合需要动态路径管理或跨文件系统的场景（如版本切换、快捷方式）。

功能差异：
硬链接：直接绑定inode，无额外存储开销，但受限于文件系统和目录支持。
软链接：通过路径间接引用，灵活但依赖路径有效性。

数据安全：
硬链接：删除任一链接不影响数据，需所有链接删除后数据才释放。
软链接：目标文件删除后需手动修复链接，避免悬挂。

动静态库

静态库

什么是静态库？
先举个例子：你打算烤蛋糕，于是你购买了一个专门为烤蛋糕设计的“工具包”，里面包含了搅拌器、量杯等所有必要的工具。你买下这个工具包后，把里面的工具全部带回家，放在自己的厨房里使用。静态库就像这个“工具包”。当你编译程序时（烤蛋糕前的准备），编译器会把库中的代码（工具）直接复制到你的可执行文件（你的厨房中）。这样，不管你把可执行文件（厨房）搬到哪里，它里面都有所有需要的工具（库函数），不会因为找不到外部工具而影响烤蛋糕（程序运行）。

优缺点：
优点：程序独立，运行时不依赖其他外部文件。
缺点：每个程序都需要一份完整的工具包（库代码），占用空间较大。如果工具包有更新，你需要重新制作整个蛋糕（重新编译程序）。

静态库是一组已经编译好的目标代码，被打包成一个文件（在 Linux 上通常以 .a 结尾，在 Windows 上可能是 .lib）。
编译时：当你编译程序时，静态库的代码会直接复制到你的可执行文件中。

动态库

什么是动态库？
假设你住在一个小区，每个住户都在同一个公共厨房里烤蛋糕。公共厨房里已经配备了一整套专业的烤蛋糕工具。你只需要在烤蛋糕时去公共厨房借用这些工具，而不必自己购买和保存一整套。动态库就像公共厨房里的工具。当你编译程序时，程序只记录使用工具的“说明”（工具名称和使用方法），而实际的工具在运行时由操作系统从公共厨房中加载。这样，多个程序（多个住户）都可以共享同一套工具，而不必各自保存一份工具。

优缺点：
优点：程序体积较小，多个程序共享同一份工具；工具更新后，所有使用该工具的程序都能自动使用新版本（前提是接口没变）。
缺点：程序运行时必须能找到公共厨房（动态库文件），如果工具不在公共厨房或路径不对，程序就无法顺利运行。

总结

静态库和动态库主要都是用来封装和复用程序代码的工具，目的是让开发者不必重复编写相同的代码，而可以直接使用已经写好的代码模块。具体来说：

静态库：

用途：在编译时将库中的代码直接嵌入到你的可执行文件中。
作用：你编译出来的程序自带所有必要的代码，不需要在运行时依赖外部文件。
使用场景：适合不希望在部署时再额外管理库文件的情况，比如一些独立运行的程序或需要快速启动的应用。
特点：程序体积较大，更新库代码后需要重新编译依赖程序。

动态库：
用途：在程序运行时按需加载库中的代码。
作用：多个程序可以共享同一份动态库代码，从而节省磁盘空间和内存，更新库代码时只需替换库文件，而不必重新编译所有程序。
使用场景：适合多个程序共同使用同一套功能模块、需要灵活更新或者资源共享的情况。
特点：程序启动时需要找到并加载动态库，如果库文件缺失或路径不对，程序就无法正常运行。

静态库和动态库都是为了提高代码复用性和管理性，只不过静态库在编译时将代码固定进程序，而动态库则在运行时共享使用。