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Linux：基础IO---软硬链接动静态库前置知识

news 来源：原创 2025/9/10 1:04:52
  • 序：上一个章节，我从硬件出发，由宏观到微观，由具体到抽象，围绕研究对象未被打开的文件来讲解，操作系统是如何对一个大块的磁盘进行管理的，从而引进inode的概念，加深了对文件的理解，本章，我将带领大家更加深入的学习，了解软硬链接的概念，知道软连接和硬链接所处理的场景，以及动静态库的概念！！！

1. 软硬链接

1.1 什么是软硬连接

想要知道什么是软硬链接，我们先看软硬链接是如何创建的！

建立硬链接：ln + [文件名]
建立软连接： ln -s + [文件名]

创建软连接后，我们发现他具有独立的inode，与被其链接的文件的inode和软连接的inode不一样。所以，软连接是一个独立的文件，因为他具有独立的inode

创建硬链接后，该硬链接的inode与被其链接的文件的inode一样。所以，硬链接不是一个独立的文件，因为他没有独立的inode。

在这里插入图片描述
我们发现当一个文件被硬链接后，文件权限后面的那个数字变成了2，且那个硬链接的文件的那个数字也是2！！！这个数字是什么意思呢？权限后面的那个数字，其实就是硬链接数，来表示一个文件有几个硬链接的。

那么问题来了，为什么硬链接的文件属性和被硬链接链接的文件的属性一模一样，而且硬链接数也一样呢？
答：这是因为这两个文件的inode是一样的，所以根据inode读出来的数据就是一模一样的。

1.2 如何理解软硬链接

问题一：该如何理解软连接？

软连接是一个独立的文件，有独立的inode，也有独立的数据块，他的数据块里面保存的是指向文件的路径（相当于windows的快捷方式）
当我们删除被软连接链接的文件时，该文件被删除，该软链接所指向的文件没了，所以该软链接就失效了！！！

问题二：该如何理解硬链接？

所谓的建立硬链接，本质其实就是在特定的目录的数据块中新增文件名和指向文件的inode编号的映射关系！！！
当我们删除被硬链接链接的文件的时候，该文件的内容仍然存在，只是硬链接数减一了，如果硬链接数减一后变成了一，这不就是给一个文件取别名吗！！！

任意一个文件，无论目录，还是普通文件，都有inode
每一个inode内部，都有一个叫做引用计数的计数器（有多少个文件名指向我！）

目录里面保存的是 文件名：inode编号的映射关系
文件名1：inode1234
文件名2：inode1234
文件名3：inode1234
文件名4：inode1234
（多个不同的文件名映射同一个inode）

删除这种链接文件，有两种删发，一种是直接rm +文件名，另一种就是通过：

unlink + [链接文件名]
1.3 软硬链接的应用场景

软连接的应用场景

在这里插入图片描述
既然软连接里面是存的是被链接的文件的地址，那我们只要一个可执行程序用软链接链接，就不用去找这个文件在哪了，只需要执行软链接，不管这个文件在哪，他都会自动去找到该文件，然后执行！！！

硬连接的应用场景

在这里插入图片描述
软连接可以直接链接一个路径很深的可执行程序，可以链接目录。但是硬链接无法链接目录，但‘.’‘…’这两个文件是目录的硬链接，这是因为这是操作系统自己设定的，但操作系统不让也不允许用户给目录链接硬链接，这是因为操作系统不信任用户，用户对目录使用硬链接，很容易就造成目录下的环路问题，进而让操作系统崩溃。

2. 动静态库前置知识

2.1 补充一：数据交换的基本单位

在这里插入图片描述

问题一：为什么数据交换的单位是4KB？为什么不是我们需要多少内存空间，就申请多少空间，而是统一的用4KB呢？

1. 减少IO的次数—减少访问外设的次数—硬件
2. 基于局部性原理！！！预加载机制—软件

2.2 补充二：操作系统如何管理内存

操作系统是能看到内存的物理地址的，但用户层只能看到虚拟地址。

问题一：那么操作系统是如何管理内存的呢？

一定是先描述，再组织！！！

struct page {
//page 页必要的属性信息
}

以4GB为例，一个4KB的页框就是一个页
struct page mem_array[1048576]

由于数组是有下标的，数组的下标就是对应的页号，所以，我们对内存的的管理就转变为了对数组进行管理！！！
对于4GB中的一个地址 0x1122 3344，我们只要让他按位 &上0xFFFF F000就能知道他的页号，因为一个页号占4KB，所以，只要将低12位字节置零就可以得到该地址的页号，然后就可以通过该页号，得到对应的数据
所以，我们要访问一个内存，我们只需要先直接找到这个4KB对应的page，就能在系统中找到对应的物理页框。总结：所有申请内存的动作，都是在访问内存page数组！！！

内存管理：

1. 大块内存管理：伙伴系统算法
2. 小块内存管理（不足4KB）：slab分派器

2.3 补充三：Linux中，我们每一个进程，打开的每一个文件都要有自己的inode属性和自己的文件页缓冲区

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

当我们电脑开机的时候，这些分组中的数据（Super Block、Group Descriptor Table、Block Bitmap、inode Bitmap等都会预加载到物理内存中），其中物理内存中会存在一个链表，每一个链表就是一个Super Block的对象，是用双向链表的形式链接起来，当操作系统访问时，就知道每一个分区大概是在什么位置，每个分区中的文件系统大概是什么样，所以很多文件系统上的数据，操作系统已经给我们预加载了。

当我们在打开一个文件时，我们首先要知道该文件的文件路径和文件名，我们打开一个文件，要直接指定该文件的直接或相对路径，我们通过该文件名和文件路径就可以知道在该目录下，该文件名所映射的该文件的inode编号。

一个被打开的文件，该进程的task_struct指向文件描述符数组，在这个数组中，该文件的文件描述符会指向他文件对应的struct file，==当一个文件被打开时，我们最关心的是两个东西，一个是文件的属性，一个是文件的内容！！！==而文件属性基本都在inode Table内的对应inode的inode结构体当中。

问题一：文件的属性怎么获取？

当我们打开一个文件时，操作系统要为我们对应文件的struct file创建一个结构体struct inode，当我们要打开这个文件时，我们就要根据他的文件名，找到对应的inode的编号，然后在我们预加载到物理内存中的inode Bitmap中判断该文件是否存在，然后通过该inode找到inode Table中的inode结构体中的文件属性，将这些文件属性填到系统给struct file创建的struct inode结构体对象中。

问题二：文件的内容怎么获取？

在这里插入图片描述在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

其中struct file中有一个指针指向address space，而这个address space中有一棵radix_tree_root的树（多叉树或字典树），该树的节点内有个slots的（void*）的指针，这就是说，该树的每个叶子节点中，都有很多指针，每一个指针会指向一个个的struct page结构对象，而一个struct page结构就对应一个4KB大小的页，如果我要修改文件中的数据，本质就是通过这样一系列的数据结构找到这样的叶子节点指向的struct page，然后修改其物理内存中的内容！！！而这种一个个的struct page就是文件的页缓冲区！！！

补充四：基数树or基树（本质上是字典树）

在这里插入图片描述

原本字典树是有26个子节点的，这里化简为3个子节点，方便理解。

总结：

本章，从认识到理解，从理解到实现场景，我们知道了什么是软硬链接，通过对四个小点的补充，我们知道了，数据交换的基本单位—页，知道了操作系统是如何管理内存的，又通过对图片的分析，深入清楚了一个被打开的文件在内核部分是如何被修改文件内容的！！！还知道了什么是字典树的一个基本概念！！！本章的补充部分的知识，是为下一篇动静态库而做的铺垫，补齐之前学习的缺口，将知识关联，串联起来！！！

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