linux系统调用和文件操作

零、本课程能学到的内容

1、文件系统及文件的IO操作。

2、linux的多进程编程。

3、linux的多线程编程。

4、进程及线程之间的同步和异步通信

5、linux的网络编程（编写服务器、客户端、TCP、UDP程序）。

一、linux的系统调用

用户程序通过软中断的方式，让cpu切换到内核态运行，数据就借此传输。

对于CPU来说，它不知道现在运行是用户程序还是内核程序。软中断后，cpu根据拿到的数据，进行特定的任务，然后退出中断，将任务的结果交回给用户程序。

这个任务如何描述？是通过数字来编号的。

例子：写一个打印字符串的程序，通过系统调用来完成。

需要传递的参数有：指向字符串的指针（字符串的首地址），字符串的长度。

汇编写法

用int$0x80产生软中断

C的写法

直接使用syscall函数（它的本质就是用软中断来产生系统调用）

系统调用编号见：/usr/include/asm/unistd_32.h里

一共有358个。其中，4号对应的write调用。

二、linux文件系统基础

扇区（sector）：磁头读取的最小单位数据，在磁盘上类似一个扇子的形状。一般是512个字节。

块（block）：软件读取磁盘的最小单位数据，一般来说是扇区的2的n次幂大小，常用的有4096个字节。

块就是文件存放的最小单位。如果有一个文件是15045个字节，那么就分成4个块存储，最后那个块的数据是不满的。

可以用数组的方式将一个文件的所有数据块的编号保存起来。

这个数组多大合适？

前提是数组大小要固定，才好管理。

用一个15元素的数组来保存数据块的编号。

其中0-11元素，保存数据块的前面12个，第12个元素是一个一级指针，指向另一个表格，那个表格是4096字节，可以保存1024个块的编号。

如果还不够，第13个元素是一个二级指针，指向的那个表格是一级指针表格。14个元素是三级指针，指向的表格是二级指针表格。

全部用完可以存储2G大小的文件的数据块编号。

在文件系统内部，如何来表示一个文件呢？

用一个inode结构体来表示一个文件。inode是index node的意思。也叫索引节点。一个索引节点对应一个文件，有多少个文件就有多少个索引节点。

inode结构体里面有文件的大小、文件的修改时间、文件的权限、文件的数据块的编号数组。

inode结构体数组保存了所有文件的inode，这个数组的下标就是inode编号。文件名或者目录名保存目录文件的数据块里面。在linux里面，一个目录也是一个文件，叫做目录文件，其它的叫做普通文件。目录文件里就有，inode编号和文件名的对应关系。

那么，给出文件路径时，如何找到这个文件的数据块？

/usr/include/stdio.h

首先，找到根目录的数据块，从里面找到文件和inode编号关系表，

例如usr这个文件名和inode编号为10002是对应的，那么就到inode结构体数组里找出下标为10002的元素，得到对应文件usr的数据块，因为usr也是一个文件夹，既然是文件夹，它的数据块里面也会有关系表，就可以找到include这个文件的数据块，最后找到stdio.h的数据块，这个是一个普通文件，就把它的数据块全部取出来。

这里搜索的起点是根目录的数据块，那么这个文件的数据块到哪里找？

在一个磁盘里面，最开始的几个块，存储了本磁盘的很多重要数据，例如块的大小，有哪些inode下标空闲，哪些已经用了，最重要的是根目录的数据块。

所有的参数存放在其中的一个块，这个块叫做超级块（super block）。在磁盘格式化，实际就是生成一个超级块。这个块的重要性毋庸置疑，如果数据被损坏，则磁盘没办法使用。

三、打开文件

在linux里面，用open函数就可以打开一个文件。

函数原型：int open(const char*path,int flag)

函数如果打开成功，则返回一个文件描述符f ile d escribtor，这个描述符fd是一个非负整数。

1、文件描述符

在文件被打开后，需要用一个结构体来描述这个被打开的文件。这个结构体是struct file。

它包含了文件的读写指针、文件的长度、文件的属主等等重要属性。

另外，对于任意一个程序（进程），还有一个结构体，描述当前程序打开的所有文件。struct files_struct

fd就是fd_array数组的下标。打开一个文件后，生成一个struct file来保管文件的属性，然后将该结构体的首地址放到fd_array数组里面的一个空闲的位置，然后将该元素的下标返回。下次如果要访问这个文件，直接拿着下标去找就行了。

需要说明的是，对于任意一个程序来说，一般都会默认打开三个文件，键盘输入端、屏幕输出端、错误输出端。它们的编号分别为0,1,2。

在我们用open打开一个文件的时候，一般会在描述符里面找出一个最小的空闲描述符作为文件的描述符。利用这个技术，可以人为的关闭屏幕输出端1，然后再打开另外一个文件，这个时候，printf就会自动将文字输出那个文件里。

2、错误代码

在系统调用失败的时候，系统会自动往一个全局变量写一个数据，就是错误代码。这个全局变量是int errno。单单看这个变量是没意义的，必须要解读。

可以用strerror（errno）来将这个数据解读成一个字符串。

errno需要包含errno.h头文件，strerror需要包含string.h。

另外还可以使用perror来打印错误信息。

小结：

1、用户程序通过系统调用的方式让内核执行特定的任务，系统调用是通过软中