Linux学习之文件系统与动静态库
目录
一，文件的管理
什么是磁盘？
磁盘的逻辑抽象结构
格式化
inode
挂载
软硬链接
二，动静态库
什么是动静态库？
1.站在库的制作者角度
静态库：
制作一个静态库
2.站在静态库使用者的角度
动态库
作为制作者
作为使用者
动态库加载
一，文件的管理
和进程，内存一样，操作系统创建它就要管理他，文件也是如此，也需要操作系统来管理，那么如何管理呢？还是我们的六字真言，先描述在组织，这与我们学习进程的思想是近似的。
而我们
管理文件的核心就是找到文件，即文件的路径，其次管理文件根据文件的属性分为两种：
1.打开的文件在内存中的管理。
2.未打开的文件在磁盘中的管理。
所以我们首先第一件事就是先弄清楚如何找到文件的路经，并且是快速的，准确的。而了解这个，就先了解磁盘是如何存储并且定位寻找的。
什么是磁盘？
磁盘是一种用电磁原理记录数据的存储设备，由涂上磁性物质的盘片和盘片读写装置（驱动器）组成。磁盘可以分为软盘、硬盘等类型。如果您需要管理硬盘分区及文件、搜索丢失的分区及文件、对磁盘进行快速分区格式化等操作。磁盘价格便宜，容量大，是企业大量使用的存储介质。
磁盘的结构：
磁盘与盘面的比例是一比一的，通过磁头的摆动，来定位磁盘的某个位置，磁盘的摆动只能左右摆动，盘面是在高速的旋转着，相对于其他外设较慢。其中磁头是具有磁性的，受到碰撞就会损坏磁盘。
一个磁盘上面有许多磁道，他们是一圈圈的同心圆，而扇区就是把一个磁盘分成若干份，因此磁盘再进行存储时，扇区是磁盘被读写的最小单位，一般是512字节，当我们需改某一扇区的即使某一比特位是，也需要加载这个扇区到内存中，所谓一我们把磁盘这样的设备叫块设备。
那么我们如何寻址，定位，选择哪一个扇面，本质就是上选择磁头，选择好了哪一面，下来就是选择哪一个磁道，最后在磁道当中最后在来选择哪一个扇区。同一个磁道构建出的柱面，这种的寻址方法在这里（head,cylinder,sector）就是CHS寻址法。
而文件包括了属性加内容，因此在存储时，属性和属性放在一些，内容与内容放在一起，有的磁道访属性，有的磁道放内容。经过磁头找磁道，盘面旋转确定扇区，我们完成寻址。
磁盘的逻辑抽象结构
操作系统无法用CHS这种方法，因为软硬件是不能固定的，软件的寻址方式变化，硬件不可能要变，因此软件方面是不会使用这种方法的。
对于磁盘，盘面是由一个个同心圆构成，我们可以将该盘面抽象成我们小时候用的磁带一样，比如步步高学习机，在机子里，磁带被旋转卷成一个圆，我们就可以类比这个圆是盘面。
旋转的时候是一个圆，那么拉直的时候就是一个长条子，此时的扇面就是相当于磁带一段一段的，如下图：
一个磁道是一个数组，因此用二维数组我们就可以表示出一个盘面，对于任何某一扇区的位置，我们只需知道它的下标位置即可，通过已知的下标位置，由于一个盘面的大小我们是知道的，我们也可以计算出他是哪一个盘面中的第几个。比如小标123456，同盘面大小取模再取余就能知晓扇区的位置。
于是对磁盘的管理，就变成了对数组的管理。由数组下标就转化成磁盘的CHS了。当然操作系统以扇区为单位进行存取，也可以基于文件系统，按照文件块为单位进行数据存取。例如以8个扇区为一个文件快，直接一起写，在写时也是连续的。因此我们能通过起始地址找到八个块的所在地。
最终结论：对存储设备的管理，在os层，转换成了对数组的增删查改。
格式化
在内存管理方面，我们只需要管理其中一部分空间，剩余的由于与值顺序链接的，我们就可以管理这以快空间。
以分治的思想，将一个大的分区划分成一个个小的块，进行管理，最后将管理中心放在一块小空间即可。
而我们需要知道的文件的路径取决于就是我们对这些组做管理，文件的存储，分为两个部分，一个是文件信息的存储，一个是管理文件信息的存储。因为文件的内容与属性是分开存储的，因此文件信息管理的存储决定了文件信息的存储。
对于分区之后，在先将管理的数据写入块中，即格式化。因此在使用一个盘时，我们都是要先分区，在格式化。例如我们电脑的c盘,d盘就是分区，并且我们可以选择格式化，格式化的本质是清除我们自己的文件数据，对于文件管理数据是不会修改的。
inode
在Linux系统中，我们在使用ls指令时，还有一个选项：
ls -li //可查看文件的inode
一般情况，一个文件对应一个inode，基本上文件都有inode，inode是一个数字，在整个分区中具有唯一性，因此在Linux内核中，识别文件与文件名无关，而是依据inode。
也就是上图，可以看到我们写入管理信息到块中有许多，我们先来看看inode table。
inode_table
一般叫做i节点表，inode table主要存放文件属性，所有者，最近修改时间等。i节点表里面也是存放了许多inode，inode大小为128字节，我们将它理解为一个数组，他的下标就是表示inode位置。
每一个分组（table）都有一个起始的start_inode与记录。在分区的唯一性就是自身位置加上start_inode来确定。
data_blocks
数据区，没有任何管理数据，只是一个以4KB的大小的数据块区域，那么一个块里面能存放这么多文件，如何确定文件对应的数据块？ 其实在inode中，为我们维护了一个数组 blocks[ ]，记录了位置。
inode bitmap
利用位图来记录这么多文件的使用情况，0表示未使用，1表示使用。
block bitmap
除了文件的使用情况，我们还需要记录数据块的使用情况，因此利用位图记录使用情况。
那么了解了这些我们大概能知道创建和删除文件本质上就是去修改inode位图，数据块位图里的某个位置，0变1，1变为0。所以并未真正的删除数据。
Block Group ： 文件系统会根据分区的大小划分为数个 Block Group 。而每个 Block Group 都有着相 的结构组成。超级块（ Super Block ）：存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有： bolck 和 inode 的总量， 未使用的block 和 inode 的数量，一个 block 和 inode 的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的 时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block 的信息被破坏，可以说整个 文件系统结构就被破坏了。GDT ， Group Descriptor Table ：块组描述符，描述块组属性信息
了解了这些，可是我们一般在Linux中也不用inode啊，我们都是用文件名，这是怎么弄得？
因为用户只认识文件名，操作系统只认识Inode,因此我们需要将文件名与inode一一映射，
一一映射急就是键值对的关系，我们将文件名做为key值，将Inode作为valu，以这样方式一一映射。
因此文件名不属于文件属性。那么如何查找一个文件？其实就是先获取到文件的inode,再根据inode确定分区位置，确定inode编号，确定inode_table，但是我们是一层层往下找的，先从根目录开始，找到下一个目录，依次往下，知道我们需要的文件的位置。
这样找太慢了，于是进程会将当前的目录也会保存到cache中。
挂载
一个磁盘想要被使用，就需要将他分区，而想要使用这个分区，还需要将每一个分区都需要挂载到相应的目录上，挂载其实就是将目录的数据结构与文件的数据结构联系起来。
软硬链接
建立软链接：
ln -s file.c file.c.soft.link //给log文件建立软链接此时ls -li可以看到inode变化，对应的
建立硬链接：
ln test.c test.c.hard.link //后者硬链接前者
再查看此时的inode没发生变化，但对应的inode编号数字增加了。链接数也发生了变化。
因此我们可以得出，软链接是一个独立的文件，硬链接不是一个独立的文件。因为没有独立的inode编号.
那么什么是软硬链接？
首先我们肯定队快捷方式很熟悉，我们的电脑是双击图标就可以把程序加载到内存中，开始运行这个程序，但事实上我们都是到我们在运行程序时都是运行它的exe文件，一般这个文件在目录下很深的地方，用户每次想加载该文件都需要找到他太国麻烦，因此就可以用一个链接文件当作exe文件，把它拿出来当作我们的快捷方式来加载程序。
而链接分了两种方式：
1.软链接就相当一个wndows的快捷方式，就是一个普通文件，可以快速定位文件。
2.硬链接不是一个独立的文件，从inode往后和目标文件是一个东西，本质上就是在指定目录内部的一组映射关系。
普通文件链接后链接数为1，而空目录连接后，默认链接数位2，这是因为他有两个隐藏文件：
.当前目录 ..上一级目录，他们都记录着对应的inode。
用户无法对目录建立硬链接，对于隐藏文件 .. 和.是系统创建的硬链接，但不允许用户来创建。
二，动静态库
什么是动静态库？
动态库（.a）：程序在编译链接的时候，把库里的代码链接到可执行程序当中，运行的时候不再需要库文件。
静态库(.so)：程序在运行的时候才去链接动态库的代码，多个程序共享使用库的代码
注意：
1.一个与动态库链接的文件，仅仅包含它会使用到的函数接口地址的一个表，而不是函数所在文件的整个机器码
2.在程序运行之前，外部函数的机器码由操作系统从磁盘的动态库复制到内存当中，这个过程称为动态链接。
3.动态库可以在多个文件间共享，因此动态链接使得可执行文件更小，可以节省磁盘的空间，操作系统利用虚拟地址机制，使得物理空间对应的一份动态库可以被所有进程共享，节省了磁盘空间与内存。
为了更好的了解动静态库，我们分三个角度看待动静态库：
1.站在库的制作者角度
静态库：
制作一个静态库
首先库中是没有主函数的，比如我们现在搞一个加减乘除的一个库，先创建对应的头文件与.c文件
创建并完成这些文件的代码编写，之后再创建一个maintest.c，用于测试。
完成书写后，将所有文件编译成一个可执行：
gcc -o TEST Add.c Sub.c Mul.c Dic.c Maintest.c我们运行TEST，可以看到没什么问题，
我们以这种方式编译成可执行文件，但是这种放式并不是最佳方式，我们一般将所有.c文件都先编译成.o文件，再将我们需要的.o文件链接在一起。
gcc -c 源文件 -o目标.o文件
//一般我们直接使用gcc -c源文件 会自动生成同名的.o文件编写makefile以这样的方式去编译可执行：
TEST:Add.o Sub.o Mul.o Div.o Maintest.o
gcc -o $@ $^
%.o:%.c
gcc -c $<
#$<代表一个个的去取文件列表的文件
.PHONY:clean
clean:
rm -f *.o TEST
于是我们为了其他人想要使用对应的.o文件，我们将所有的.o文件与头文件都打包在一起，用的时候直接链接某一个你需要的.o文件。
故一般在编译文件时，我们只编译成.o文件即可，比如这里我们就将所由.o文件与头文件放在一个test目录下。该目录就当作是用户的目录，此时有一个Maintest.c是你的主程序，我们想将她编译成.o文件，之后想要链接哪一个.o文件，就一起gcc .o文件即可。
这里再将所有的.o文件打个包就是我们所说的库。、
打包.o文件
这里用ar（gnu归档工具进行打包）指令打包：
ar -rc .o文件 -o 目标文件 如打包我们这里的.o文件，我们在makefile中打包：
#这里我们用一个变量表示库的名字
static-lib=libmymath.a
$(static-lib):Add.o Sub.o Mul.o Div.o
ar rc $@ $^
%.o:%.c
gcc -c $<
.PHONY:clean
clean:
rm -f *.o *.a
之后创建的libmymath.a就是我们的静态库。
2.站在静态库使用者的角度
有了静态库，那么我们现在要去使用它，首先将头文件在拿到用户需要编译的目录下，头文件一般都是开放的，之后直接编译，我们发现它会报链接的错误，有了静态库和头文件还不行，我们还需要链接，我们自己写的第三方库gcc是不认识的，我们需要指定连接：
gcc 目标.c文件 -l 静态库 //链接静态库到目标文件中
这里哭的名字一般是要去掉lib与.a才是真实名字
如果还是不认识
gcc 目标.c文件 -l 名字 -L . //当前下的该库链接完成之后就会形成一个a.out的可执行文件。
此时对于gcc来说c标准库可以直接用，不需要指明链接，也就是第二方库。
gcc默认是动态链接的，有序使用动态库连接，如果子提供了静态库，还是会把库链接起来。
但是这又是是静态库，又是头文件，太挫了，所以最终呈现给用户的形式是将库文件与头文件分开的两个目录，并且在一个目录下，我们在makefile中进行分隔：
static-lib=libmymath.a
$(static-lib):Add.o Div.o Mul.o Sub.o
ar -rc $@ $^
%.o:%.c
gcc -c $<
.PHONY:output
output:
mkdir -p mymath_lib/include
mkdir -p mymath_lib/lib
cp -f *.h mymath_lib/include
cp -f *.a mymath_lib/lib
.PHONY:clean
clean:
rm -rf *.o *.a mymath_lib之后我们还可以将该目录压缩，其他用户需要用的是后给他压缩包，解压之后就有了该目录，使用的时候，使用指令：
gcc Maintest.c -I mymath-lib/include然后再链接库即可：
ac ar Maintest.c -l mymath -L mymath-lib/lib当然我们可以一起使用：
gcc Maintest.c -I mymath-lib/include -l mymath -L mymath-lib/lib动态库
作为制作者
动态库与静态库在这里的区别就是打包方式的不同：
首先打包时使用的指令为
gcc -shared -o 目标文件 源文件之后编译时我们还需要添加选想 -fPIC
gcc -fPIC -c .c文件动态库生成的Makefile为：
dy-lib=libmymath.so
$(dy-lib):Add.o Div.o Mul.o Sub.o
gcc -shared -o $@ $^ #打包围为动态库
%.o:%.c
gcc -fPIC -c $< #增加一个选项生成位置无关码
.PHONY:output
output:
mkdir -p mymath_lib/include
mkdir -p mymath_lib/lib
cp -f *.h mymath_lib/include
cp -f *.so mymath_lib/lib
.PHONY:clean
clean:
rm -rf *.o *.so mymath_lib
作为使用者
与静态库不同，动态库生成之后就没有链接错误了，不过有编译错误，会报错头文件找不到，因此只需要与静态库链接一样的指令，在编译时指定链接（link)我们的动态库：
gcc Maintest.c -I mymath_lib/include/ -l mymath -L mymath_lib/lib/
生成了可执行文件还是要依靠动态库，否则无法运行，而之前，我们指定动态库是编译器知道的，一旦生成完，可执行与动态库还是相互不认识，ldd查看动态库就会发现，找不到。这里有四种方法：
1.下载到我们的系统库里。直接将库拷贝到lib64里，之后gcc -l 指定的库，就可以成功运行了。
2.将我们的库与该路径下的一个文件建立软链接。在将该软链接移动到库上。这样只要有谁想找到这个库，我们就会迅速定位到该库。
当然我们建立软连接时最好给这个库的绝对路径，例如我这个：
3.在Linux中，还存在一个加载项LD_LIBRARY_PATH，加载库路径的环境变量。因此我们可以把动态库的路径找出来，然后导入环境变量。
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home//danchengwei/myfile/file2/test/mymath_lib/lib/libmymath.so4.直接更改系统配置文件
在系统目录下游体格etc/ld.so.conf.d/的配置文件目录，在目录里我们会创建一个文件里面用来存放你要找的动态库的路径。
如果我们的库既有动态也有静态库，默认使用动态库。
当然我们就可以使用别人的库，
ncurses库
下载之后就可以在lib64下找到它的动态库文件。
动态库加载
将方法的地址与可执行程序链接起来，因此动态库连接的程序不仅仅程序要加载，动态库也要加载，态库是一种共享库，它可以在程序运行时加载。在Linux中，您可以使用dlopen函数打开动态链接库，使用dlsym函数获取函数执行地址，使用dlclose函数关闭动态链接库。这些函数都在dlfcn.h头文件中声明.
在编译的时候，代码就有了虚拟地址，用基地址+偏移量表示，并一一映射，这种模式称为平坦模式。