一、FILE結(jié)構(gòu)

1、fd

FILE是在C中封裝起來(lái)的一個(gè)結(jié)構(gòu)體，那我們?cè)L問(wèn)文件的時(shí)候都是通過(guò)fd訪(fǎng)問(wèn)的，自然在FILE中是封裝了fd的，F(xiàn)ILE結(jié)構(gòu)體中，int _file存放的就是fd，其他的成員基本都是與緩沖區(qū)有關(guān)的

2、緩沖區(qū)

（一）有換行有return全部打印

看下面一段代碼：

（二）無(wú)換行無(wú)return的C接口打印

很顯然的，我們打印出了所有我們需要的內(nèi)容，我們?cè)倏聪乱欢?/p>

理想狀態(tài)下我們應(yīng)該是打印出結(jié)果后然后進(jìn)行while一直循環(huán)，實(shí)際上是一只不會(huì)打印，這是為什么呢？是的，待在緩沖區(qū)里

首先我們要知道，緩沖區(qū)的大概位置，我們上面貼了一張F(tuán)ILE結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)圖，我們可以很清楚地看到緩沖區(qū)是FILE的成員指針指向的一塊位置，也就是說(shuō)緩沖區(qū)一定在用戶(hù)空間而不是內(nèi)核空間

（三）無(wú)換行無(wú)return的系統(tǒng)調(diào)用接口打印

我們?cè)谡{(diào)用上面三個(gè)函數(shù)的時(shí)候，都是調(diào)用的C接口，自然都待在緩沖區(qū)里了，我們?cè)倏聪乱粋€(gè)程序

在這個(gè)程序中我們直接調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口write，所以它不會(huì)經(jīng)過(guò)C語(yǔ)言的緩沖區(qū)，而是直接打印

（四）有換行無(wú)return的C接口打印

我們?cè)賮?lái)看一組程序

這個(gè)程序和（二）程序的區(qū)別就只有換行，這告訴我們，C語(yǔ)言緩沖區(qū)對(duì)于顯式器是行緩沖的，C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的文件流有三種緩沖模式，分別是全緩沖、行緩沖和無(wú)緩沖

• 全緩沖 _IOFBF ：通常用于對(duì)磁盤(pán)文件的操作，數(shù)據(jù)會(huì)先被存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，直到緩沖區(qū)被填滿(mǎn)或者調(diào)用 fflush 函數(shù)、關(guān)閉文件（fclose）時(shí)，才會(huì)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入實(shí)際的文件，在全緩沖模式下，不會(huì)因?yàn)橛龅綋Q行符而自動(dòng)刷新緩沖區(qū)
• 行緩沖 _IOLBF ：常見(jiàn)于標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出等終端設(shè)備相關(guān)的流，當(dāng)遇到換行符（\n）時(shí)，會(huì)自動(dòng)刷新緩沖區(qū)，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的設(shè)備或文件，某些情況下即使沒(méi)有換行符，緩沖區(qū)滿(mǎn)時(shí)也會(huì)刷新
• 無(wú)緩沖 _IONBF ：標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出通常默認(rèn)是無(wú)緩沖的，確保錯(cuò)誤信息能夠立即顯示，在無(wú)緩沖模式下，數(shù)據(jù)會(huì)立即寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的設(shè)備或文件，不會(huì)進(jìn)行緩沖，因此不存在行刷新的概念

（五）無(wú)換行有return的C接口打印

進(jìn)程退出return的時(shí)候，也會(huì)對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行刷新

（六）深入理解緩沖區(qū)在用戶(hù)空間

我們打印在顯示器上的內(nèi)容和打印在文件中的內(nèi)容不一致，只有write打印了一遍，其他是按照順序打印了兩遍，我們當(dāng)然能看出來(lái)這是fork的鍋，接下來(lái)我們就深入理解談一談緩沖區(qū)

首先我們分析第一張結(jié)果圖，因?yàn)轱@示器是行緩沖的，所以我們C接口的打印放到緩沖區(qū)中一行就會(huì)被打印到屏幕上一行，三條語(yǔ)句執(zhí)行完之后緩沖區(qū)是空的，然后write再往上寫(xiě)，所以整個(gè)打印出來(lái)的順序也是按照代碼中來(lái)的

然后我們分析最后一張圖，第一個(gè)我們可以肯定的是，打印到文件一定不是行緩沖，那就更不是無(wú)緩沖，實(shí)際上，由于文件是在存儲(chǔ)硬件當(dāng)中的，由于我們的效率問(wèn)題，對(duì)于這種存儲(chǔ)類(lèi)的緩沖條件都是全緩沖，把緩沖區(qū)塞滿(mǎn)再寫(xiě)入存儲(chǔ)硬件中比塞一點(diǎn)寫(xiě)一點(diǎn)效率高得多，所以前三句C接口調(diào)用的打印全部在緩沖區(qū)中，然后write將自己打印，然后我們就碰到了fork，創(chuàng)建子進(jìn)程，父子進(jìn)程此時(shí)共享代碼段和數(shù)據(jù)段，因?yàn)樗鼈兌紱](méi)有做修改，然后我們就碰到了return 0，前面我們提到：進(jìn)程結(jié)束也是要清空緩沖區(qū)的，此時(shí)父或子進(jìn)程某一個(gè)先結(jié)束（由調(diào)度器決定），其中一個(gè)進(jìn)程清空緩沖區(qū)的行為會(huì)引起另一個(gè)進(jìn)程的寫(xiě)實(shí)拷貝，此時(shí)我們就有兩份緩沖區(qū)，兩個(gè)進(jìn)程都結(jié)束都要清空緩沖區(qū)，自然在緩沖區(qū)中的內(nèi)容要打印兩份了（在這里要注意了，不只是子進(jìn)程修改數(shù)據(jù)會(huì)引起子進(jìn)程的寫(xiě)時(shí)拷貝，父進(jìn)程對(duì)數(shù)據(jù)做修改時(shí)父進(jìn)程也要發(fā)生寫(xiě)時(shí)拷貝，被寫(xiě)時(shí)拷貝的數(shù)據(jù)再再發(fā)生修改就直接修改了，不發(fā)生寫(xiě)實(shí)拷貝）

二、文件系統(tǒng)

文件一般存儲(chǔ)在硬盤(pán)當(dāng)中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了動(dòng)態(tài)的文件，也就是進(jìn)程打開(kāi)文件訪(fǎng)問(wèn)文件的過(guò)程，現(xiàn)在我們來(lái)學(xué)習(xí)一下靜態(tài)的文件，我們來(lái)直接學(xué)習(xí)一下固態(tài)硬盤(pán)

1、固態(tài)硬盤(pán)

固態(tài)硬盤(pán)是一種基于NAND閃存的存儲(chǔ)單元，我們常用的筆記本上的固態(tài)硬盤(pán)存儲(chǔ)單元類(lèi)型一般都是TLC的，三層單元，每個(gè)單元存儲(chǔ)3bits，壽命較短成本較低，它通過(guò)電荷存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)高低電平區(qū)分0/1

NAND閃存的寫(xiě)入操作只能在已擦除的塊上進(jìn)行，擦除的最小單位就是塊，通常為128KB-4MB，寫(xiě)入的最小單位是頁(yè)，通常為4KB，所以它讀的速度特別快，可以到微秒級(jí)，因?yàn)樾枰炔脸龎K，寫(xiě)的速度較慢，只能到毫秒級(jí)，每個(gè)塊的擦寫(xiě)次數(shù)有限，超過(guò)后就會(huì)失效，一般TLC的擦鞋上限在500-1500次

這樣的性質(zhì)會(huì)帶來(lái)一些不太好的結(jié)果，比如我們要寫(xiě)的內(nèi)容很小，假設(shè)為4KB，那么我們先要擦除高達(dá)4MB的塊才能進(jìn)行寫(xiě)入，所以我們通過(guò)算法，將寫(xiě)入分散到所有塊，避免某些塊因?yàn)槎啻尾脸?/p>

固態(tài)硬盤(pán)控制器中的核心邏輯叫做FTL ( Flash Translation Layer ) Flash翻譯層，負(fù)責(zé)將文件系統(tǒng)的邏輯地址映射到物理地址，是不是有點(diǎn)像進(jìn)程地址通過(guò)頁(yè)表映射到物理地址呢

接下來(lái)我們要學(xué)習(xí)文件系統(tǒng)的邏輯地址LBA，因?yàn)槲覀兒芮宄﨔TL映射到物理地址的過(guò)程是與頁(yè)表映射是相似的，而邏輯地址的組織方式與進(jìn)程地址可是不同的，雖然是有相似之處的~

2、邏輯地址LBA

LBA 從 0 開(kāi)始，按照連續(xù)的整數(shù)順序依次為存儲(chǔ)設(shè)備中的每個(gè)數(shù)據(jù)塊編號(hào)，存儲(chǔ)設(shè)備中的每個(gè)數(shù)據(jù)塊都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的 LBA 值，比如第一個(gè)數(shù)據(jù)塊的 LBA 是 0，第二個(gè)是 1，依此類(lèi)推，我們對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊有Super Block、Group Descriptor Table、Block Bitmap、inode Bitmap、inode Table、Data blocks六個(gè)，最理想的情況下它們的LBA按照我上面寫(xiě)的順序從0到5

我們把一塊固態(tài)硬盤(pán)，我們筆記本上有一些品牌比如說(shuō)某L開(kāi)頭的品牌，在我們購(gòu)買(mǎi)的時(shí)候是默認(rèn)給你帶1T固態(tài)的，一般的品牌就是512G，我們拿到筆記本之后會(huì)對(duì)電腦進(jìn)行分區(qū)，C盤(pán)作為系統(tǒng)盤(pán)分到最多的內(nèi)存，G盤(pán)作為游戲盤(pán)給到300多G，然后D盤(pán)用來(lái)學(xué)習(xí)寫(xiě)代碼，留個(gè)200G，EF盤(pán)用來(lái)存一些其他的東西，這樣一套流程下來(lái)我們就分好盤(pán)了，我們說(shuō)對(duì)硬盤(pán)做管理當(dāng)然也是先描述后組織，Block Group就是組織和管理磁盤(pán)空間的一種重要結(jié)構(gòu)

在n個(gè)Block Group之前有一個(gè)叫做Boot Block（引導(dǎo)塊）的區(qū)域，在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，它是計(jì)算機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的起點(diǎn)，沒(méi)有引導(dǎo)塊中的引導(dǎo)代碼，計(jì)算機(jī)就無(wú)法知道如何加載操作系統(tǒng)，也就無(wú)法正常啟動(dòng)

我們按照知識(shí)理解易難順序倒著往前來(lái)說(shuō)

（一）數(shù)據(jù)塊 Data Blocks

用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的塊，NAND FLASH 內(nèi)部的數(shù)據(jù)塊由多個(gè)page組成，通常大小為4KB（現(xiàn)在也有8KB和16KB），這個(gè)page就是我們前面提到的最小寫(xiě)入單位：頁(yè)

（二）inode表 inode Table

inode全稱(chēng)為索引節(jié)點(diǎn)，是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)單個(gè)文件的全部屬性，一般來(lái)說(shuō)每個(gè)文件都有一個(gè)inode

struct inode
{
	//inode編號(hào)
	//文件類(lèi)型
	//權(quán)限
	//引用計(jì)數(shù)
	//擁有者
	//所屬組
	
    // 直接塊指針
    unsigned long i_block[NUM];
    // 一次間接塊指針
    unsigned long i_ind_block;
    // 二次間接塊指針
    unsigned long i_dind_block;
    // 三次間接塊指針
    unsigned long i_tind_block;
}

其中inode編號(hào)每個(gè)文件都是不同的，我們主要說(shuō)說(shuō)數(shù)據(jù)塊指針

（1）直接塊指針

直接塊指針的NUM一般是12，它指向的位置是我們可以直接用來(lái)存儲(chǔ)的位置，如果我們內(nèi)容比較?。?code>12*4KB = 48KB以?xún)?nèi)），那么直接塊指針可以直接訪(fǎng)問(wèn)這些數(shù)據(jù)

（2）一次間接塊指針

如果內(nèi)容大于48KB，就需要一次間接塊指針，一次間接塊指針指向一個(gè)間接塊，這個(gè)間接塊存儲(chǔ)中存儲(chǔ)著多個(gè)指向數(shù)據(jù)塊的指針，如我們的內(nèi)容在（4KB/4b）*4KB = 4MB以?xún)?nèi)，通過(guò)一次間接塊指針和直接塊指針就可以訪(fǎng)問(wèn)這些數(shù)據(jù)

（3）二次間接塊指針

二次間接塊指針指向一個(gè)二次間接塊，這個(gè)二次間接塊存儲(chǔ)中存儲(chǔ)著多個(gè)指向間接塊的指針，與一次間接塊指針類(lèi)似，這樣我們存儲(chǔ)的范圍就達(dá)到了（4KB/4b）*（4KB/4b）*4KB = 4GB

（4）三次間接塊指針

同上，最終我們最大的存儲(chǔ)范圍達(dá)到了 （4KB/4b）*（4KB/4b）*（4KB/4b）*4KB = 4TB

（三）inode位圖 inode Bitmap

我們通過(guò)位圖來(lái)和inode一一對(duì)應(yīng)，位圖上對(duì)應(yīng)的比特位為0，那么該inode就沒(méi)有被使用，可以被分配，如果為1則被占用，當(dāng)從1變?yōu)?時(shí)，該inode又可以被分配了，其實(shí)這個(gè)過(guò)程就是一個(gè)刪除的過(guò)程，一旦一個(gè)文件的inode無(wú)了，那么這文件是真的無(wú)了

在文件系統(tǒng)中，標(biāo)識(shí)文件不是看它的名字，而是看它的inode，一旦inode和文件取消綁定了，那么操作系統(tǒng)就找不到這個(gè)文件了，再次寫(xiě)入其他內(nèi)容的時(shí)候也就會(huì)被擦除覆蓋了，換而言之，刪除恒等于可以被覆蓋

（四）塊位圖 Block Bitmap

我們通過(guò)位圖來(lái)和數(shù)據(jù)塊page一一對(duì)應(yīng)，位圖上對(duì)應(yīng)的比特位為0，那么該頁(yè)page就沒(méi)有被使用，可以被分配，如果為1則被占用，當(dāng)從1變?yōu)?時(shí)，該page又可以被分配了，如果我們要?jiǎng)h除一塊空間，只需要將它的對(duì)應(yīng)的位置0，到再次被寫(xiě)入的時(shí)候就會(huì)消失了，當(dāng)然我們的NAND閃存是定期擦除的，過(guò)一段時(shí)間它自己就被擦除了

（五）塊組描述符表 Group Descriptor Table

記錄了該塊組的詳細(xì)信息，包括塊位圖的位置、inode 位圖的位置、inode 表的起始位置等，用于定位和管理塊組內(nèi)的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（六）超級(jí)塊 Super Block

超級(jí)塊是文件系統(tǒng)的核心，記錄了文件系統(tǒng)的全局信息，如塊大小、inode 數(shù)量、空閑塊數(shù)量等，為了防止超級(jí)塊損壞導(dǎo)致文件系統(tǒng)無(wú)法使用，每個(gè)塊組中可能會(huì)包含超級(jí)塊的副本，不過(guò)并非所有塊組都有

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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