硬盘的物理结构
磁盘的读写原理1.硬盘片的表面覆盖着薄薄的磁性涂层，涂层中含有无数微小的磁性颗粒，谓之磁畴
2.相邻的若干磁畴组成一个磁性存储元，以其剩磁的极性表示二进制0和1
3.以磁头的写线圈施加脉冲电流，可把一位二进制数字转换为磁性存储元的剩磁极性
4.利用磁电变换，通过磁头的读线圈，可将磁性存储元的剩磁极性转换为相应的电信号，表示二进制数
磁盘和扇区1.磁盘旋转，磁头固定，每个磁头都会在盘片表面划出一个圆形轨迹。改变磁头的位置，可以形成若干大小不等的同心圆，这些同心圆就叫做磁道(Track)
2.每张盘片的每个面上都有成千上万个磁道，一个磁道，按照512字节等分，其中每个等分叫做扇区(Sector)
3.扇区是最基本的文件存储单位
4.每个磁道所包含的扇区数并不相等，越靠近外圈的磁道所包含的扇区越多
柱面、柱面组、分区和磁盘驱动器1.硬盘中，不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面(Cylinder)。整个硬盘的柱面数与每张盘片的磁道数相等
2.硬盘中的每个扇区可由以下三个坐标唯─确定
磁头号：确定哪张盘面（一张盘片有两个盘面各对应一个磁头）
柱面号：确定那条磁道
扇区号：确定哪个区域
3.若干连续的柱面构成一个柱面组>
4.若干连续的柱面组构成一个分区
5.每个分区都建有独立的文件系统
6.若干个分区构成一个磁盘驱动器
文件系统逻辑结构
一个磁盘驱动器被划分成一到多个分区，其中每个分区上都建有独立的 文件系统，每个文件系统包括
引导快：计算机加电启动时，ROM BIOS从这里读取可执行代码和数据，以完成操作系统自举。
超级块：记录文件系统的整体信息，如文件系统的格式和大小，i 节点和数据块的总量、使用量和剩余量等等
若干柱面组，其中每个柱面组包括
超级副本：同上
柱面组信息：柱面组的整体描述
i 节点映射表： i 节点号与 i 节点磁盘位置的对应表，帮助快速在磁盘上找到 i 节点位置
块位图：位图中的每个二进制对应一个数据块，用1和0表示该块处于占用或是空闲状态
i 节点表：包含若干 i 节点，记录文件的元数据（属性信息）和数据块索引表（数据块编号）
数据块集：包含若干数据块，存储文件的内容数据
i 节点，即索引节点（index node，inode）一个文件名对应一个 i 节点，但是一个 i 节点却可以对应多个文件名（硬链接）
1.磁盘中的每个文件或目录都有唯一的一个 i 节点与之对应
2.每个 i 节点都有唯一的编号即 i 节点号，通过 i 节点映射表可以查到与每个 i 节点号相对应的 i 节点在磁盘上的存储位置
3.文件名和 i 节点号的对应关系记录在该文件所在目录的目录文件中，目录文件中的一条这样的记录就是一个硬链接
目录存储内部存储的文件名和 i 节点对应关系
4.ls -i 命令可以查看文件的 i 节点号
i 节点的具体内容包括：
文件类型和权限
文件的硬链接数
文件的用户和组
文件的字节大小
文件的最后访问时间、最后修改时间和最后状态改变时间
文件数据块索引表
数据块（data block），512/1024/4096字节
直接块：存储文件的实际内容数据
文件块： 存储普通文件的内容数据
目录块：存储目录文件的内容数据
间接块：存储下级文件数据块索引表
通过 i 节点索引数据块
文件访问流程
针对给定的文件名，从其所在目录中可以得到与之对应的 i 节点号，再通过 i 节点映射表可以查到该 i 节点在磁盘上的具体位置，读取 i 节点信息并从中找到数据块索引，进而找到相应的数据块，最终获得文件的完整内容。
根目录的 i 节点在磁盘上是固定的，可以理解成根目录 i 节点很容易找到，所以找文件名时，由根目录出发在数据块里找到内部子成员文件/目录的名和 i 节点号
固态硬盘和机械硬盘底层逻辑一样，但是传输介质不一样
文件类型普通文件
最普遍的文件
1.在Unix/Linux系统中通常所见到的文件，如用C/C++语言编写的源代码文件，编译器、汇编器和链接器产生的汇编文件、目标文件和可执行文件，各种系统配置文件，Shell脚本文件，包括音频、视频等数字内容的多媒体文件，乃至包括数据库在内的各种应用程序所维护、管理和使用的数据文件等，都是普通文件
2.组成文件的线性数组里字节的数目，即文件长度或称文件大小，其最大值受限于Linux内核中用于管理文件的C语言代码数据类型的大小，某些文件系统还可能强加自己的限制，将其限定在更小的值
3.操作系统内核并没有对并发文件访问强加任何限制，不同的进程能够同时读写同一个文件，并发访问的结果取决于独立操作的顺序，且通常是不可预测的
4.一个文件包括两部分数据，一部分是元数据，如文件的类型、权限、大小、用户、组、各种时间戳等，存储在i节点中，另一部分是内容数据，存储在数据块中
目录文件1.系统通过i节点号唯一地标识一个文件的存在，但人们更愿意使用有意义的文件名来访问文件，目录就是用来建立文件名和i节点号之间的映射的
2.目录的本质就是一个普通文件，与其它普通文件唯一的区别就是它仅仅存储文件名和i节点号的映射，每一个这样的映射，用目录中的一个条目表示，谓之硬链接
3.既然目录也是文件，那么它同样也有自己的i节点，每个目录的i节点号和它的文件名(目录名)之间的映射，记录在它的父目录中，以此类推，形成了一棵目录树
4.根目录的i节点在i节点表中的存储位置是固定的，因此即使没有父目录，根目录也能被正确检索
5.当系统内核打开类似“/home/tarena/unixc/day01.txt”这样的路径时，它会从根目录开始遍历路径中的每一个目录项来查找下一项的i节点号。根目录的i节点可以直接拿到，这样就可以在根目录中找到home目录的i节点号，然后在home目录中找到tarena目录的i节点号，再在tarena目录中找到unixc目录的i节点号，最终在unixc目录中找到day01.txt文件的i节点号并打开该文件
6.如果路径字符串的第一个字符不是“/”，则表示相对路径，基于相对路径的路径解析从当前工作目录开始
7.每个目录中都有两个特殊的条目“.”和“..”分别映射该目录本身和其父目录的i节点号，根目录没有父目录，故其“..”和“.”一样都映射到根目录本身
符号链接文件（软连接）1.符号链接文件看上去象普通文件，每个符号链接文件都有自己的i节点和包含被链接文件完整路径名的数据块
2.相比于硬链接，符号链接的解析需要更大的系统开销，因为有效地解析符号链接至少需要解析两个文件，符号链接文件本身和它所链接的文件
3.文件系统会为硬链接维护链接计数，但不会为符号链接维护任何东西，因此相较于硬链接符号链接缺乏透明性
4.通过命令ln -s xxx.c yyy.c可以创建一个符号链接(软连接)
ln xxx.c yyy.c
文件名 与 i节点号就是一个硬链接关系，也就是取别名，二者公用一个节点号，修改一个文件就是修改另外一个，但是删除时，另外一个保留，但是ls -l发现链接文件从2变成了1，而都删除时，将标记位标记为0
特殊文件特殊文件是以文件形式表示的内核对象，具体包括
1.本地套接字︰套接字是网络编程的基础，本地套接字是其面向本机通信的一个变种，它需要依赖文件系统中的一种特殊文件——本地套接字文件
2.字符设备︰设备驱动将字节按顺序写入队列，用户程序从队列中按其被写入的顺序将字节依次读出，如键盘
3.块设备︰设备驱动将字节数组映射到可寻址的设备上，用户程序可以任意顺序访问数组中的任意字节，如硬盘
4.有名管道︰有名管道是一种以文件描述符为信道的进程间通信(IPC)机制，即使是不相关的进程也能通过有名管道文件交换数据
文件的打开与关闭
#include
int open(char const* pathname,int flags,mode_t mode);
功能：打开已有的文件或创建新文件
参数：pathname 文件路径
flag 状态标志，可以以下取值
O_RDNOLY 只读
O_WRONLY 只写
O_RDWR 读写
O_APPEND 追加
O_CREAT 不存在即创建，已存在即打开
O_EXCL 不存在即创建，存在即报错
O_TRUNC 不存在即创建，已存在即清空
mode 权限模式
仅在创建文件时有效，可用形如0XXX的三位八进制数表示，由高位到低位依次表示拥有用户，同组用户和其它用户的读、写、执行权限，读权限用4，写权限2，执行1，可用加法组合
返回值：所返回的一定是当前未被使用的，最小文件描述符
本质是 失败返回-1 成功返回 非负数
用进程的权限掩码会屏蔽掉创建文件时指定的权限位，如创建文件时指定权限0666，进程权限掩码0022，所创建文件的实际权限位 0666&~0022 = 0644
权限掩码：命令行输入umask
真实权限 = 参数 - 掩码
0777 - 0002 = 0775
当然掩码也可以更改
umsk 0022
则掩码就会变成0022
#include
int close(int fd);
功能：关闭处于打开状态的文件描述符
参数：fd 处于打开状态的文件描述符
//文件的打开和关闭 #include#include //open #include //close int main(void){ //打开文件 int fd = open("./open.txt",O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC,0777); if(fd == -1){ perror("open"); return -1; } printf("fd = %dn",fd); //关闭文件 close(fd); return 0; }
文件的内核结构
1.一个处于打开状态的文件，系统会为其在内核中维护一套专门的数据结构，保存该文件的信息，直到它被关闭
v节点与v节点表
文件的元数据和磁盘上的存储位置都保存在其 i 节点中，而 i 节点保存在分区柱面组的 i 节点表中，在打开文件时其 i 节点信息读入内存，并辅以其它的必要信息形成一个专门的数据结构，势必会提高对该文件的访问效率，这个存在于进程的内核空间，包含文件 i 节点信息的数据结构被称为 v 节点。多个 v 节点结构以链表形式构成 v 节点表
文件表项与文件表
由文件状态标志（来自open函数的flags参数）、文件读写位置（最后一次读写的最后一个字节的下一个位置）和 v 节点指针等信息组成的内核数据结构被称为文件表项，通过文件表项一方面可以实时记录每次读写操作的准确位置，另一方面可以通过 v 节点指针访问包括该文件各种元数据和磁盘位置在内的 i 节点信息。多个文件表项以链表的形式构成文件表。
2.多次打开同一个文件，无论是在同一个进程中还是在不同的进程中，都只会在系统内核中产生一个v节点
3.每次打开文件都会产生一个新的文件表项，各自维护各自的文件状态标志和当前文件偏移，却可能因为打开的是同一个文件而共享同一个v节点
4.打开一个文件意味着内存资源(v节点、文件表项等)的分配，而关闭一个文件其实就是为了释放这些资源，但如果所关闭的文件在其它进程中正处于打开状态，那么其v节点并不会被释放，直到系统中所有曾打开过该文件的进程都显式或隐式地将其关闭，其v节点才会真正被释放
5.一个处于打开状态的文件也可以被删除，但它所占用的磁盘空间直到它的v节点彻底消失以后才会被标记为自由
下图为理解图，如果上文复杂可以看下图总结
v节点: open("open.txt".….)频繁找i节点和数据块，每次都要去磁盘找是很慢的，于是操作系统为打开的文件维护了一个特殊的数据把i节点信息和其它一些信息放在操作系统维护的物理内存上，被称为v节点。
文件表项记录了文件状态标志，就是open()第二个参数的值,文件读写位置，v节点指针。目的是为了记录当前对这个文件的操作
关闭之后就释放了，内核数据安全级别很高。
两个进程打开同一个文件，对应的v节点内核只给维护一份，而文件表项是各自维护一份，当其中一个进程关闭，对应的文件表项释放，但是v节点则需要其它对应的进程关闭才能释放
内核结构：
文件描述符
由文件的内核结构可知，一个被打开的文件在系统内核中通过文件表项和v节点加以标识。有关该文件的所有后续操作，如读取、写入、随机访问，乃至关闭等，都无─例外地要依赖于文件表项和v节点。因此有必要将文件表项和v节点体现在完成这些后续操作的函数的参数中。但这又势必会将位于内核空间中的内存地址暴露给运行于用户空间中的程序代码。一旦某个用户进程出现操作失误，极有可能造成系统内核失稳，进而影响其它正常运行的用户进程。这将对操作系统的安全运行造成极大的威胁
1.为了解决内核对象在可访问性与安全性之间的矛盾，Unix系统通过所谓的文件描述符，将位于内核空间中的文件表项间接地提供给运行于用户空间中的程序代码
2.为了便于管理在系统中运行的各个进程，内核会维护一张存有各进程信息的列表，谓之进程表。系统中的每个进程在进程表中都占有一个表项。每个进程表项都包含了针对特定进程的描述信息，如进程ID、用户ID、组ID等，其中也包含了一个被称为文件描述符表的数据结构
3.文件描述符表的每个表项都至少包含两个数据项——文件描述符标志和文件表项指针，而所谓文件描述符，其实就是文件描述符表项在文件描述符表中从0开始的下标
4.作为文件描述符表项在文件描述符表中的下标，合法的文件描述符一定是个大于等于0的整数
5.每次产生新的文件描述符表项，系统总是从下标0开始在文件描述符表中寻找最小的未使用项
6.每关闭一个文件描述符，无论被其索引的文件表项和v节点是否被删除，与之对应的文件描述符表项定会被标记为未使用，并在后续操作中为新的文件描述符所占用
7.系统内核缺省为每个进程打开三个文件描述符，它们在unistd.h头文件中被定义为三个宏
#define STDIN_FILENO 0//标准输入
#define STDOUT_FILENO 1//标准输出
#define STDERR_FILENO 2//标准错误
刚刚说了，open函数的返回值叫文件描述符，可以表示打开的文件。
v节点和一个文件表项可以表示一个文件，而open函数的返回值其实是一个整数，也是用来表示文件，v节点和文件表现是内核维护的，是不会告诉给用户的，于是用文件描述符，也就是那个整数，可以间接的找到v节点和文件表项
为了便于管理在系统中运行的各个进程，内核都会维护一张存有各进程信息的列表，谓之进程表（放在内存里）。系统中的每个进程在进程表中都占有一个表项。每个进程表项都包含了针对特定进程的描述信息，如进程ID、用户ID、组ID等，其中也包含了一个被称为文件描述符表的数据结构
文件描述符表里，文件描述符标志就是那个open函数返回的整数，对应了文件表项指针，指向文件表项
回顾文件的打开与关闭返回值：所返回的一定是当前未被使用的，最小文件描述符
什么是未被使用的最小描述符呢？
就是找下标最小的未被占用的，去对应他的文件表项指针
注意，0 1 2对应的文件描述符是 标准输入，标准错误，标准输出 stdin,stderr,stdout
scanf（）其实是从文件描述符 0 上拿数据
如果，此时我close(1),那么就是关闭了printf()输出的地方，此时，我打开文件 open(a.txt)，那a.txt对应的文件描述符就是1，此时调用printf，输出的所有东西就对应到了a.txt上，这也是输出重定向
a.out > a.txt
文件存储i节点 和 数据块
hello.c 名 <-------> 123456 （节点号） -----> 磁盘里找到 i 节点
名和号的关系去目录里找
i节点：属性的元数据
数据块编号
然后根据编号找到数据块，数据块就是具体内容
有个程序 a.out,执行时,操作系统在磁盘中找到这个文件，把这个文件的指令和数据加载到物理内存中，CPU从物理内存中执行一条条指令，程序开始跑起来。操作系统为每一个程序维护一个进程表，也叫进程描述符，进程控制块，PCB，本质是一个很复杂的结构体，task_struct.
这个结构体中有很多成员，其中一个叫文件描述符表，可以想象为一个有指针的指针，0对应stdin,1stdout,2stderr。
文件本身存在磁盘上，i节点的数据在磁盘上，每次找非常麻烦，于是用结构体 v节点来记录维护，然后又用一个文件表项来记录当前打开文件的状态，还有指向v节点的指针。
当程序运行到一个open（）函数时，进程的文件描述符指向文件表项，而指向文件表项的指针的下标就是文件描述符，保证了文件表项和v节点i节点的安全，
文件的读写#include
ssize_t write(int fd, void const* buf,size_t count);
功能：向指定的文件写入数据
参数：fd 文件描述符
buf 内存缓冲区，即要写入的数据 ，给地址
count 期望写入的字节数，期望写入的字节数和实际输入的字节数不一定一致
返回值：成功返回实际写入的字节数，失败返回-1
用ssize_t size = write();接收，printf("%ldn");长整型接收
其实ssize 和size就是基本类型的别名
//write函数演示 #include#include //strlen() #include //open() #include //write(),读写关闭 int main(void){ //打开文件 int fd = open("./shared.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0664); //成功返回文件描述符，失败返回 -1 if(fd == -1){ perror("open"); return -1; } printf("fd = %dn",fd); //向文件中写入数据 char* buf = "hello world!"; //char arr[10] = "abc";sizeof(arr)=10; strlen(arr)=3 ssize_t size = write(fd,buf,strlen(buf)); if(size == -1){ perror("write"); return -1; } printf("实际写入%ld个字节n",size); //关闭文件 close(fd); return 0; }
ssize_t read(int fd, void* buf,size_t count);
功能：向指定的文件读取数据
参数：fd 文件描述符
buf 内存缓冲区，存读取到的数据
count 期望读取的字节数
返回值：成功返回实际读取的字节数，失败返回-1
//read函数演示 #include#include #include int main(void){ //打开文件 int fd = open("./shared.txt",O_RDONLY); //查看man 2 open手册可以看出来，open有不带第三个参数和带第三个参数的，如果确定文件已经存在，那么mode其实可以不给 if(fd == -1){ perror("open"); return -1; } //读取文件 char buf[24] = {}; ssize_t size = read(fd,buf,sizeof(buf)-sizeof(buf[0])); if(size == -1){ perror("read"); return -1; } printf("实际读取到的字节数%ldn",size); printf("%sn",buf); //关闭文件 close(fd); return 0; }
我们在函数使用当中会遇到各种类型，比如ssize_t占位符是%ld,如何确认占位符呢？
gcc -E read.c -o read.i
然后看 .i文件 vim read.i
然后搜一下就可以看到
size_t ----- lu
ssize_t ----ld
