Linux dd 命令详解：工作原理与实用指南（C/C++代码实现） ...

北冰洋以北 · 2024-12-19 08:47:17

这段代码是一个模仿 Linux dd 命令的工具，它用于在不同文件之间复制数据。dd 是一个非常强盛的命令行工具，可以用于数据备份、转换和复制。下面我将详细解释这段代码的原理、实现方式以及如何运行和测试。
Linux dd 命令的工作原理

dd 命令是 Unix 和 Linux 系统中非常强盛的文件复制和转换工具。它通过指定块大小（block size）来读取和写入数据，实现高效的文件或设备复制。dd 命令不仅能够处理平凡文件，还能直接操纵设备文件，这使得它在系统备份、规复和数据克隆等使命中非常有用。

基本语法：dd if=输入文件 of=输出文件 [选项]
- if：指定输入文件名或设备名。
- of：指定输出文件名或设备名。
- [选项]：各种可选参数，用于控制复制活动。
常用选项：
- bs：设置读写的块大小。例如：bs=4M。
- count：复制的块数。例如：count=1。
- conv：指定数据转换选项，如 conv=sync 确保同步模式。
- status=progress：表现详细的进度信息。
工作流程：
- 打开源和目标文件/设备：dd 命令会先尝试打开指定的输入和输出文件或设备。
- 按块读取和写入：根据指定的块大小（bs），dd 从输入文件或设备读取数据，并写入到输出文件或设备中。
- 数据处理：在读写过程中，dd 可以根据指定的转换选项对数据进行处理，如大小写转换、字节顺序转换等。
- 重复操纵：上述过程会根据指定的块数（count）反复进行，直到完成全部数据的复制或转换。

命令利用用

dd 的基本命令行格式如下：

dd if=<input_file> of=<output_file> [其他参数]

复制代码

if：指定输入文件。
of：指定输出文件。

以下是一些常用的参数示例：

bs：设置块大小，例如 bs=1024。
count：设置复制的块数，例如 count=10。
skip：设置跳过的块数，例如 skip=5。
seek：设置输出文件中跳过的块数，例如 seek=5。

示例

复制一个文件的前 10MB 到另一个文件：

dd if=/dev/zero of=example.img bs=1M count=10

复制代码

将一个磁盘分区备份到另一个磁盘分区：

dd if=/dev/sda of=/dev/sdb

复制代码

基本文件复制：

dd if=inputfile of of=outputfile bs=64K count=1

复制代码

将 inputfile 复制到 outputfile，每次读取和写入 64KB 的数据块，只复制一个块。
备份和还原硬盘：

dd if=/dev/sda of=/path/to/backup.img bs=4M
dd if=/path/to/backup.img of=/dev/sdb bs=4M

复制代码

将整个硬盘 /dev/sda 备份到 backup.img 文件中，然后将 backup.img 还原到 /dev/sdb。
创建镜像文件：

dd if=/dev/zero of=imagefile.img bs=1G count=10

复制代码

创建一个名为 imagefile.img 的 10GB 镜像文件，内容全为零。
制作启动盘：

dd if=boot.img of=/dev/sdb bs=4M

复制代码

将 boot.img 写入到 USB 设备 /dev/sdb，制作可启动的 USB 盘。
擦除硬盘数据：

dd if=/dev/urandom of of=/dev/sda bs=4M

复制代码

使用随机数据覆盖整个硬盘，确保数据无法规复。
日常定位分析

dd 命令在系统规复、数据规复和磁盘克隆等场景中非常有用。例如，当你需要从一个破坏的文件系统中规复数据时，可以使用 dd 来复制文件系统的一部分到另一个康健的磁盘上，然后对复制的数据进行分析和规复。
三、dd 命令在实际工作中的定位与分析

dd 命令因其强盛的功能和灵活性，在系统管理和运维工作中有着广泛的应用场景。以下是几个典型的应用场景及其分析：

系统备份与规复：
- 场景：定期备份服务器上的硬盘或分区，以防数据丢失或系统故障。
- 分析：通过 dd 命令，可以创建整个硬盘或分区的镜像文件，方便存储和快速规复。别的，还可以使用压缩工具（如 gzip）进一步减小镜像文件的大小。
数据克隆和迁移：
- 场景：在更换硬盘或迁移数据时，需要将旧硬盘上的数据完整复制到新硬盘。
- 分析：dd 命令可以直接操纵设备文件，无需颠末文件系统，从而提高数据复制的效率和可靠性。这对于大规模数据迁移尤其有用。
制作启动盘和规复盘：
- 场景：需要制作可启动的 USB 盘或 CD/DVD，用于系统安装或故障排查。
- 分析：dd 命令可以将 ISO 镜像文件直接写入到 USB 或光盘设备，操纵简单且高效。这在紧急情况下尤为重要，如系统崩溃后的规复工作。
安全删除数据：
- 场景：需要彻底删除敏感数据，确保无法通过规复工具找回。
- 分析：通过用随机数据覆盖硬盘，可以有用防止数据被规复。这种方法比单纯的文件删除更为安全，实用于处理包罗敏感信息的硬盘。
性能测试：
- 场景：测试磁盘的读写速率，评估存储设备的性能。
- 分析：dd 命令可以天生大规模的测试数据，并通过计时等方式测量磁盘的读写速率。这对于存储设备的选型和性能优化具有重要参考价值。

Linux dd 命令详解：工作原理与实用指南（C/C++代码实现）

size_t free_mem()
{
uint64_t n = 0;
char buf[1024], found = 0;
FILE *f = fopen("/proc/meminfo", "r");
if (!f)
return 1024*1024;
memset(buf, 0, sizeof(buf));
for (;!feof(f);) {
fgets(buf, sizeof(buf), f);
if (strstr(buf, "MemFree:")) {
found = 1;
break;
}
}
fclose(f);
if (!found)
return 1024*1024;
n = strtoul(buf + 9, NULL, 10);
if (!n)
return 1024*1024;
/* kB? */
if (strchr(buf + 9, 'k'))
n <<= 10;
else if (strchr(buf + 9, 'M'))
n <<= 20;
return n/2;
}
...
#ifdef ANDROID
int copy_splice(struct dd_config *);
int copy_splice_cores(struct dd_config *ddc)
{
return copy_splice(ddc);
}
#else
int copy_splice_cores(struct dd_config *ddc)
{
int ifd, ofd, p[2] = {-1, -1};
ssize_t r = 0, cpu_size = 0;
size_t n = 0, min_bs = 4096;
cpu_set_t *cpu_set = NULL;
if (prepare_copy(ddc, &ifd, &ofd) < 0)
return -1;
if ((cpu_set = CPU_ALLOC(2)) == NULL) {
close(ifd); close(ofd);
return -1;
}
cpu_size = CPU_ALLOC_SIZE(2);
CPU_ZERO_S(cpu_size, cpu_set);
if (pipe(p) < 0) {
ddc->saved_errno = errno;
close(ifd); close(ofd);
close(p[0]); close(p[1]);
return -1;
}
#ifdef F_SETPIPE_SZ
for (n = 29; n >= 20; --n) {
if (fcntl(p[0], F_SETPIPE_SZ, 1<<n) != -1)
break;
}
#endif
n = ddc->bs;
if (fork() == 0) {
/* bind to CPU#0 */
CPU_SET_S(ddc->cores - 1, cpu_size, cpu_set);
sched_setaffinity(0, cpu_size, cpu_set);
close(p[0]);
for (;ddc->b_in != ddc->count && !sigint;) {
if (n > ddc->count - ddc->b_in)
n = ddc->count - ddc->b_in;
r = splice(ifd, NULL, p[1], NULL, n, SPLICE_F_MORE|SPLICE_F_NONBLOCK);
if (r == 0)
break;
if (r < 0) {
if (errno != EAGAIN)
break;
/* If running out of pipe buffer, decrease bs */
r = 0;
n = min_bs;
}
ddc->b_in += r;
}
exit(0);
}
/* bind to CPU#1 */
CPU_SET_S(ddc->cores - 2, cpu_size, cpu_set);
sched_setaffinity(0, cpu_size, cpu_set);
for (;ddc->b_out != ddc->count;) {
r = splice(p[0], NULL, ofd, NULL, n, SPLICE_F_MORE);
if (r <= 0) {
ddc->saved_errno = errno;
break;
}
ddc->b_out += r;
++ddc->rec_out;
}
ddc->rec_in = ddc->rec_out;
close(ifd);
close(ofd);
close(p[0]);
close(p[1]);
wait(NULL);
if (r < 0)
return -1;
return 0;
}
#endif
int copy_splice(struct dd_config *ddc)
{
...
if (prepare_copy(ddc, &ifd, &ofd) < 0)
return -1;
if (pipe(p) < 0) {
ddc->saved_errno = errno;
close(ifd); close(ofd);
close(p[0]); close(p[1]);
return -1;
}
#ifdef F_SETPIPE_SZ
for (n = 29; n >= 20; --n) {
if (fcntl(p[0], F_SETPIPE_SZ, 1<<n) != -1)
break;
}
#endif
n = ddc->bs;
for (;ddc->b_out != ddc->count && !sigint;) {
if (n > ddc->count - ddc->b_out)
n = ddc->count - ddc->b_out;
r = splice(ifd, NULL, p[1], NULL, n, SPLICE_F_MORE);
if (r <= 0) {
ddc->saved_errno = errno;
break;
}
++ddc->rec_in;
r = splice(p[0], NULL, ofd, NULL, r, SPLICE_F_MORE);
if (r <= 0) {
ddc->saved_errno = errno;
break;
}
ddc->b_out += r;
++ddc->rec_out;
}
close(ifd);
close(ofd);
close(p[0]);
close(p[1]);
if (r < 0)
return -1;
return 0;
}
int copy_mmap(struct dd_config *ddc)
{
...
if (prepare_copy(ddc, &ifd, &ofd) < 0)
return -1;
if (ddc->fsize != (off_t)-1) {
if (ftruncate(ofd, ddc->fsize) < 0) {
ddc->saved_errno = errno;
close(ifd);
close(ofd);
return -1;
}
}
for (;ddc->b_out != ddc->count && !sigint;) {
n = ddc->mmap;
bs = ddc->bs;
if (n > ddc->count - ddc->b_out)
n = ddc->count - ddc->b_out;
if (bs > n)
bs = n;
if (ddc->fsize == (off_t)-1) {
if (ftruncate(ofd, ddc->b_out + n) < 0) {
ddc->saved_errno = errno;
break;
}
}
addr = mmap(NULL, n, PROT_WRITE, MAP_SHARED, ofd, ddc->b_out + ddc->skip);
if (addr == MAP_FAILED) {
ddc->saved_errno = errno;
break;
}
for (i = 0; i < n; i += r) {
if (i + bs > n)
bs = n - i;
r = read(ifd, addr + i, bs);
if (r <= 0) {
ddc->saved_errno = errno;
munmap(addr, n);
break;
}
ddc->b_out += r;
++ddc->rec_in;
}
...
}
if (ddc->fsize != ddc->b_out)
ftruncate(ofd, ddc->b_out);
close(ifd);
close(ofd);
if (r < 0 || addr == MAP_FAILED)
return -1;
return 0;
}
int copy_sendfile(struct dd_config *ddc)
{
...
off = ddc->skip;
n = ddc->bs;
for (;ddc->b_out < ddc->count && !sigint;) {
if (n > ddc->count - ddc->b_out)
n = ddc->count - ddc->b_out;
r = sendfile(ofd, ifd, &off, n);
if (r < 0) {
ddc->saved_errno = errno;
ret = -1;
break;
}
++ddc->rec_in; ++ddc->rec_out;
ddc->b_in += r;
ddc->b_out += r;
}
close(ifd);
close(ofd);
return ret;
}
int copy(struct dd_config *ddc)
{
...
if (ddc->cores)
r = copy_splice_cores(ddc);
else if (ddc->mmap)
r = copy_mmap(ddc);
else if (ddc->sf)
r = copy_sendfile(ddc);
else
r = copy_splice(ddc);
ddc->t_end = time(NULL);
/* 避免div为零 */
if (ddc->t_start == ddc->t_end)
++ddc->t_end;
return r;
}
void print_stat(const struct dd_config *ddc)
{
...
#ifdef ANDROID
fprintf(stderr, "%llu records in\n%llu records out\n%llu bytes (%llu MB) copied, %lu s, %f MB/s [%f mB/s]\n",
ddc->rec_in, ddc->rec_out, ddc->b_out, ddc->b_out/(1<<20),
ddc->t_end - ddc->t_start,
((double)(ddc->b_out/(1<<20)))/(ddc->t_end - ddc->t_start),
((double)(ddc->b_out/(1000*1000)))/(ddc->t_end - ddc->t_start));
#else
fprintf(stderr, "%lu records in\n%lu records out\n%lu bytes (%lu MB) copied, %lu s, %f MB/s [%f mB/s]\n",
ddc->rec_in, ddc->rec_out, ddc->b_out, ddc->b_out/(1<<20),
ddc->t_end - ddc->t_start,
((double)(ddc->b_out/(1<<20)))/(ddc->t_end - ddc->t_start),
((double)(ddc->b_out/(1000*1000)))/(ddc->t_end - ddc->t_start));
#endif
}
void sig_int(int x)
{
fprintf(stderr, "SIGINT! Aborting ...\n");
sigint = 1;
return;
}
int main(int argc, char **argv)
{
...
config.bs = 1<<16;
config.in = "/dev/stdin";
config.out = "/dev/stdout";
/* 模拟“dd”参数解析 */
for (i = 1; i < argc; ++i) {
if (strcmp(argv[i], "-h") == 0 ||
strcmp(argv[i], "--help") == 0)
usage(argv[0]);
memset(buf, 0, sizeof(buf));
if (sscanf(argv[i], "if=%1023c", buf) == 1)
config.in = strdup(buf);
else if (sscanf(argv[i], "of=%1023c", buf) == 1)
config.out = strdup(buf);
else if (sscanf(argv[i], "skip=%1023c", buf) == 1)
config.skip = strtoul(buf, NULL, 10);
else if (sscanf(argv[i], "seek=%1023c", buf) == 1)
config.seek = strtoul(buf, NULL, 10);
else if (sscanf(argv[i], "count=%1023c", buf) == 1)
config.count = strtoul(buf, NULL, 10);
else if (sscanf(argv[i], "mmap=%1023c", buf) == 1) {
if (!config.cores) {
/* Size in MB */
config.mmap = strtoul(buf, NULL, 10);
config.mmap <<= 20;
}
} else if (sscanf(argv[i], "cores=%1023c", buf) == 1) {
config.cores = strtoul(buf, NULL, 10);
if (config.cores < 2)
config.cores = 2;
config.mmap = 0;
} else if (strcmp(argv[i], "send") == 0) {
config.sf = 1;
} else if (strcmp(argv[i], "direct") == 0) {
config.direct = 1;
} else if (sscanf(argv[i], "bs=%1023c", buf) == 1) {
config.bs = strtoul(buf, NULL, 10);
} else if (strcmp(argv[i], "bs") == 0) {
config.bs = 0;
} else if (strcmp(argv[i], "quiet") == 0) {
config.quiet = 1;
} else if (strcmp(argv[i], "nosync") == 0) {
config.nosync = 1;
}
}
...
return 0;
}

复制代码

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编译完成后，你可以使用以下命令行参数来测试它：
./linux_dd if=<input_file> of=<output_file> [其他参数]

例如，你可以使用以下命令来复制一个文件：
./linux_dd if=/dev/stdin of=/dev/stdout bs=1024 count=1024
这个命令会从尺度输入读取数据，并将数据写入到尺度输出，每次复制 1024 字节，总共复制 1024 次。
代码中提供了多种复制计谋：

splice(2)：使用 Linux 的 splice 系统调用来在管道和文件之间传输数据，这种方式可以有用地利用内核缓冲区，减少数据复制过程中的上下文切换。
mmap(2)：通过内存映射的方式直接在内存中操纵文件数据，这种方式实用于大块数据的复制。
sendfile(2)：在内核层面直接将数据从一个文件描述符传输到另一个，减少了数据在用户空间的拷贝。
多核处理：代码还支持将数据复制使命分配到多个 CPU 焦点上，以提高复制效率。

增补内容

安全性：在使用 dd 时，肯定要小心指定正确的输入和输出文件，错误的命令大概会导致数据丢失。
效率：选择合适的块大小可以显著影响 dd 的性能。通常，较大的块大小可以提高复制速率。
错误处理：dd 命令在实行过程中大概会遇到错误，了解如何解读错误信息对于办理问题至关重要。
日志记载：dd 命令实行时可以重定向输出到日志文件，以便于过后分析。
进度监控：可以通过 status=progress 参数来监控 dd 命令的实行进度。

结语

dd 命令是一个功能强盛的工具，它在 Linux 系统中扮演偏重要的角色。了解其工作原理和使用方法，可以资助你更有用地管理和操纵数据。在使用时，务必谨慎，以克制不必要的数据丧失。
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