【Linux】文件系统及动静态库

目录

一、文件系统

1、基本知识

2、磁盘文件

3、磁盘结构(磁盘与OS的映射关系)

(1)物理结构

（2）磁盘的抽象

(3)、深入理解inode

4、软硬链接

二、动静态库

1、静态库

(1)、静态库的制作

(2)、静态库的使用

2、动态库

(1)、动态库的制作

(2)、动态库的使用

3、使用库的原因

总结

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一、文件系统

1、基本知识

前面我们所提及的文件都是被打开的文件，是被加载到内存的文件，当然操作系统中存在大量没有被打开的文件，它们主要储存在磁盘中(磁盘级文件)

我们主要侧重点在于

单个文件：这个文件在哪里？文件有多大？文件的其它属性是什么？

站在系统角度：有多少文件？各自的属性在哪里？如何快速找到？我还可以存储多少文件？如何快速找到指定文件

2、磁盘文件

计算机存储介质主要分为：

掉电易失存储介质和永久性存储介质

内存：掉电易失存储介质

磁盘：永久性存储介质   SSD,U盘，flash卡，光盘，磁带

磁盘作为一个外设且是计算机中唯一一个机械设备，它是十分的慢的，所以OS一定会有一些提速的方式

3、磁盘结构(磁盘与OS的映射关系)

(1)物理结构

磁盘主要是由磁盘盘片，磁头，伺服系统，音圈马达等构成

磁盘是在它的盘面上存储数据-》磁盘是有磁性的(N,S极)正好对应了计算机的二进制

对磁盘进行写入就是改变磁盘上的极性

并且磁盘是由一摞盘面构成，每个盘面都会有磁头

磁盘储存数据的基本单位是512字节

每一个扇区能够存储的数据大小一般都是512字节，通过控制磁盘密度不同使扇区物理大小不同，而存储相同大小的数据

在物理层面上，如何把数据写入到指定的扇区里？

CHS寻址方式：

首先要找到数据在哪个盘面上存储

接下啦寻找在哪个磁道(柱面)上

最后确定在哪个扇区

① CHS寻址模式将硬盘划分为磁头（Heads）、柱面(Cylinder)、扇区(Sector)。

磁头(Heads)：每张磁片的正反两面各有一个磁头，一个磁头对应一张磁片的一个面。因此，用第几磁 头就可以表示数据在哪个磁面。

柱面(Cylinder)：所有磁片中半径相同的同心磁道构成“柱面"，意思是这一系列的磁道垂直叠在一起，就形成一个柱面的形状。简单地理解，柱面数=磁道数。

扇区(Sector)：将磁道划分为若干个小的区段，就是扇区。虽然很小，但实际是一个扇子的形状，故称为扇区。每个扇区的容量为512字节。

② 知道了磁头数、柱面数、扇区数，就可以很容易地确定数据保存在硬盘的哪个位置。也很容易确定硬盘的容量，其计算公式是： 硬盘容量=磁头数×柱面数×扇区数×512字节 　

（2）磁盘的抽象

磁盘是圆形结构-》我们可以将其按照一个剖面展开，抽象出线性结构

将一个大磁盘抽象出一个大数组，然后操作系统对磁盘的管理转变为对数组的管理

将数据存储到磁盘-》将数据存储到数组

找到磁盘特定扇区的位置-》找到数组特定位置

对磁盘的管理-》对该数组的管理

因为磁盘十分的大，我们需要将其划分为一小块，一小块的空间，然后管理——分区

 磁盘的基本单位是扇区(512字节)，但是操作系统和磁盘进行I/O的基本单位是4kb

为什么操作系统不以512字节为单位呢？

(1)、太小了，有可能需要多次I/O，进而导致效率降低

(2)、如果操作系统使用和磁盘一样的大小，如果磁盘的大小改变，操作系统的源代码也需要进行修改，使用4kb实现了操作系统和硬件的解耦合

Data blocks：多个4kb空间的集合，保存的都是特定的文件内容

inode ：inode是一个大小为128字节的空间，保存的是对应文件的属性，包含自己的inode编号

这也就说明Linux下，文件的内容和属性是分开存储的

inode Table：该块组内所有文件的inode空间的集合，需要唯一标识，每一个inode块都需要有一个inode编号，简言之：一般来说一个文件一个inode编号

BlockBitmap：假设有1W+个blocks，就会有1W+个比特位，比特位与特定的blocks是一一对应的，其中比特位为1，代表该blocks被占用，否则表示为可用

inodeBitmap：假设有1W+个inode，就会有1W+个比特位，比特位与特定的indoe是一一对应的，其中比特位为1，代表该inode被占用，否则表示为可用

GDT：快组描述符，这个块组的大小，已经使用多少空间，有多少个inode，已经占用多少了

还剩多少，一共有多少block，还剩多少……

块组分割成为上面的内容，并且写入相关的管理数据-》每一个块组都这么干-》整个分区就被写入了文件系统

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一个文件只对应一个inode属性节点-》有唯一的inode编号

一个文件可以有多个block、

inode中存有与该文件映射的block的块号，如果文件特别大，有的block里面就会存储该文件的相关的块号来实现存储大量文件

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(3)、深入理解inode

inode编号是当前分区有效

找到文件：inode编号-》分区特定的blockgroups-》inode-》属性-》内容

在Linux中inode属性中没有文件名

一个目录下，可以保存很多文件，但是这些文件名是不允许重复的

目录也是一个文件，也要有inode，也要有data blocks

它的data blocks内部存放的是文件名和对应inode的映射关系，两者都是唯一确定的

创建一个文件，系统做了什么？

先在特定分区，特定块组中遍历inodeBitmap，找到为0的比特位，将其置为1，inode中写入它的属性，建立与data blocks的映射关系，清空特定的data blocks，建立文件名与inode的映射关系，其中文件名从用户中来，inode从系统中来

文件创建失败的原因

inode和data blocks都是固定的，可能inode没有了，data block还存在

inode有，data block没有了

4、软硬链接

我们先创建一个文件

然后与另一个文件建立软链接

 ls -s 文件名 链接文件名

后一个链接前一个

我们再硬链接test.txt

这时我们发现soft.link和test.txt的inode是不同的，证明软链接是有独立inode的

硬链接是没有独立inode的，它的inode与链接文件inode相同

软硬连接本质区别：有无独立inode

软链接有独立inode-》软链接是一个独立的文件

硬链接没有独立inode-》硬链接不是一个独立文件

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软连接相当于创建了一个新文件，文件中存储的是指向某个文件的路径

创建硬链接不是创建了一个真正的文件，硬链接用的是其它文件的属性和数据

硬连接的本质是在指定路径下建立了文件名与inode的映射关系

一个inode可以映射多个文件名，删除其中一个文件，相当于去除与inode的映射关系，只有将该文件的全部映射关系去掉，才意味着真正删除该文件

默认创建目录，引用计数(硬链接数)为什么是2？

这是因为 自己目录名 与inode建立映射

目录内部还会有 . 记录当前目录

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如果我们想要去除链接关系可以使用unlink命令

二、动静态库

对于Linux下静态库后缀.a  动态库.so

库中是没有main函数的

并且需要将.c/.cpp文件编译成.o文件

如果我们只把.h和.o文件给别人，别人是能够直接使用的

同时我们所写的库都是第三方库，写好后直接编译是不能通过的

Linux下头文件gcc的默认搜索路径是：/usr/include

库文件的默认搜索路径是：/lib64  or /usr/lib64

我们将库拷贝到系统的默认路径下，叫做库的安装

所以我们要使用库，无论是静态库还是动态库都需要我们手动指明库的位置，头文件的位置

1、静态库

(1)、静态库的制作

//myprint.h
#include     
    
extern void print();   


//myprint.cpp
#include "myprint.h"                                                                                                                                                                       
    
void print()    
{    
    std::cout << " Hello World" << std::endl;    
} 


//mymath.h
#include     
    
extern int GetSum(int left, int right); 



//mymath.cpp
#include "mymath.h"    
    
int GetSum(int left, int right)    
{    
    int ans = 0;    
    for(int i = left; i <= right; i++)    
    {    
        ans += i;    
    }    
    return ans;                                                                                                                                                                            
} 

按照前面所说我们需要将.c/.cpp编译为.o文件

然后使用ar命令打包

ar -rc libhello.a mymath.o myprint.o

这就形成了静态库，这个过程我们也可以使用makefile来进行简化

//makefile
libhello.a: myprint.o mymath.o
	ar -rc libhello.a mymath.o myprint.o

mymath.o: mymath.c
	gcc -c mymath.c -o mymath.o -std=c99

myprint.o: myprint.c
	gcc -c myprint.c -o myprint.o -std=c99

.PHONY:hello
hello:
	mkdir -p hello/include
	mkdir -p hello/lib 
	cp -rf *.a hello/lib 
	cp -rf *.h hello/include

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf *.o libhello.a

(2)、静态库的使用

静态库的使用这里只说明不修改系统的方法

gcc -o test.exe main.c -I hello/include -L hello/lib -lhello

 -I 代表指明头文件路径

-L代表库所在的路径

-l代表该路径下的具体库的名字

库的真实名字：去掉前缀lib 去掉后缀.a或者.so

2、动态库

动态库的制作和静态库类似，不过是在编译时增加了新的选项

(1)、动态库的制作

同样道理，制作动态库也需要我们将文件编译成为.o不过要加上-fPIC选项

fPIC：产生位置无关码(position independent code)

gcc -fPIC -c mymath.c -o mymath.o

编译成.o文件之后的操作是打包

gcc -shared myprint.o mymath.o -o liboutput.so

同样我们也可以写成makefile

liboutput.so: myprint.o mymath.o
	g++ -shared mymath.o myprint.o -o liboutput.so 

mymath.o:mymath.cpp
	g++ -fPIC -c mymath.cpp -o mymath.o

myprint.o:myprint.cpp 
	g++ -fPIC -c myprint.cpp -o myprint.o

.PHONY:output 
output:
	mkdir -p output/include
	mkdir -p output/lib 
	cp *.h output/include
	cp *.so output/lib

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf output *.o *.so

(2)、动态库的使用

a.如果我们只有静态库，没办法,编译器只能针对该库进行静态链接

b.如果动静态库同时存在，默认使用动态库

c.如果动静态库都存在，非要使用静态库 使用-static选项，摒弃默认优先使用动态库的原则，直接使用静态库的方案

当我的程序要使用动态库中的代码时，将动态库加载到内存，并且与页表进行映射，映射动态库代码到共享区

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静态库使用绝对地址的方案，必须从全局的角度看待，因为它将库与可执行程序一同加载

动态库是独立的库文件，可以分批加载，随意加载到任意位置，然后与页表进行映射

 然后运行

报错，找不到动态库。

可是我们前面已经声明了动态库的位置，这里为什么还是找不到呢？

因为我们声明动态库位置是对编译器的，而编译完成后就与编译器没有任何关系了

所以我们需要对操作系统声明动态库的位置 

我们可以建立一个库的软连接文件到/lib64目录中

 

 

然后运行

 

3、使用库的原因

 

站在使用库的角度，库的存在，可以大大减少我们的开发周期，提高软件的质量

站在写库的角度：1、简单，2、安全

库是编译好的，并不会暴露我的源代码

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅是简单介绍了Linux文件系统及动静态库的制作和使用