Linux基础IO【II】真的很详细

用户11173787

发布于 2024-06-24 12:20:59

480

发布于 2024-06-24 12:20:59

文章被收录于专栏：破晓破晓

今天，我们接着在上一篇文章的基础上，继续学习基础IO。观看本文章之前，建议先看：Linux基础IO【I】，那，我们就开始吧！

一.文件描述符

1.重新理解文件

文件操作的本质：进程和被打开文件之间的关系。

1.推论

我们先用一段代码和一个现象来引出我们今天要讨论的问题：

上码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
//我没有指明具体的路径，采用了字符串拼接的方式。
#define FILE_NAME(number) "log.txt" #number

int main()
{
    umask(0);
    int fd1 = open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd2 = open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd3 = open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd4 = open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd5 = open(FILE_NAME(5), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);

    printf("fd1:%d\n", fd1);
    printf("fd2:%d\n", fd2);
    printf("fd3:%d\n", fd3);
    printf("fd4:%d\n", fd4);
    printf("fd5:%d\n", fd5);

    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
    close(fd5);
}

看到输出的结果，各位大佬想到了什么？我想到了数组的下标。也许这和数组有这千丝万缕的关系，但我们都只是猜测，接下来就证明我们的猜测。

首先我们可以利用现在掌握的知识推导出这样一条逻辑链：

进程可以打开多个文件吗？可以，而且我们刚刚已经证实了。
所以系统中一定会存在大量的被打开的文件。
所以操作系统要不要把这些被打开的文件给管理起来？要。
所以如何管理？先描述，再组织。
操作系统为了管理这些文件，一定会在内核中创建相应的数据结构来表示文件。
这个数据结构就是struct_file结构体。里面包含了我们所需的大量的属性。

我们回到刚刚代码的运行结果上来：

为什么从3开始，0,1，2分别表示的是什么？

其实系统为一个处于运行态的进程默认打开了3个文件（3个标准输入输出流）：

stdin(标准输入流）：对应的是键盘。
stdout(标准输出流）：对应的是显示器。
stderr(标准错误流) ：对应的是显示器。

上面我们提及的struct_file结构体在内核中的数据如下：

/*
 * Open file table structure
 */
struct files_struct {
  /*
   * read mostly part
   */
	atomic_t count;
	bool resize_in_progress;
	wait_queue_head_t resize_wait;

	struct fdtable __rcu *fdt;
	struct fdtable fdtab;
  /*
   * written part on a separate cache line in SMP
   */
	spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
	unsigned int next_fd;
	unsigned long close_on_exec_init[1];
	unsigned long open_fds_init[1];
	unsigned long full_fds_bits_init[1];
	struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
};

struct file {
	union {
		struct llist_node	fu_llist;
		struct rcu_head 	fu_rcuhead;
	} f_u;
	struct path		f_path;
	struct inode		*f_inode;	/* cached value */
	const struct file_operations	*f_op;
	spinlock_t		f_lock;
	enum rw_hint		f_write_hint;
	atomic_long_t		f_count;
	unsigned int 		f_flags;
	fmode_t			f_mode;
	struct mutex		f_pos_lock;
	loff_t			f_pos;
	struct fown_struct	f_owner;
	const struct cred	*f_cred;
	struct file_ra_state	f_ra;

	u64			f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
	void			*f_security;
#endif
	/* needed for tty driver, and maybe others */
	void			*private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL
	struct list_head	f_ep_links;
	struct list_head	f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
	struct address_space	*f_mapping;
	errseq_t		f_wb_err;
}

2.证明

大家有没有好奇过：为什么我们C库函数fopen的返回值类型是FILE*，FILE是什么？当时老师肯定没给我们讲清楚，因为当时我们的知识储备不够。但现在，我们有必要知道FILE其实就是一个结构体类型。

//stdio.h
typedef struct _iobuf
{
    char*  _ptr;        //文件输入的下一个位置
    int    _cnt;        //当前缓冲区的相对位置
    char*  _base;       //文件初始位置
    int    _flag;       //文件标志
    int    _file;       //文件有效性
    int    _charbuf;    //缓冲区是否可读取
    int    _bufsiz;     //缓冲区字节数
    char*  _tmpfname;   //临时文件名
} FILE;

这3个标准输入输出流既然是文件，操作系统必定为其在系统中创建一个对应的struct file结构体。

为了证明我们的判断，我们可以：调用struct file内部的一个变量。

操作系统底层底层是用文件描述符来标识一个文件的。纵所周知，C文件操作函数是对系统接口的封装。所以FILE结构体中一定隐藏着一个字段来储存文件描述符。而且stdin，stdout，stderr都是FILE*类型的变量，

所以：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
// 我没有指明具体的路径，采用了字符串拼接的方式。
#define FILE_NAME(number) "log.txt" #number

int main()
{
    printf("stdin:%d\n", stdin->_fileno);//调用struct file内部的一个变量
    printf("stdout:%d\n", stdout->_fileno);
    printf("stderr:%d\n", stderr->_fileno);

    umask(0);
    int fd1 = open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd2 = open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd3 = open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd4 = open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd5 = open(FILE_NAME(5), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);

    printf("fd1:%d\n", fd1);
    printf("fd2:%d\n", fd2);
    printf("fd3:%d\n", fd3);
    printf("fd4:%d\n", fd4);
    printf("fd5:%d\n", fd5);

    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
    close(fd5);
}

来啦，终于来啦！！终于证明我们的推断。

2.理解文件描述符

进程中打开的文件都有一个唯一的文件描述符，用来标识这个文件，进而对文件进行相关操作。其实，我们之前就接触到了文件描述符，我们简单回忆一下：

调用open函数的返回值，就是一个文件描述符。只不过，我们打开的文件的文件描述符默认是从3开始的，0.1.2是系统自动为进程打开的。
调用close传入的参数。
调用write，read函数的第一个参数。

可见，文件描述符对我们进行文件操作有多么重要。文件描述符就像一个人身份证，在一个进程中具有唯一性。

文件描述符fd的取值范围：文件描述符的取值范围通常是从0到系统定义的最大文件描述符值。

当Linux新建一个进程时，会自动创建3个文件描述符0、1和2，分别对应标准输入、标准输出和错误输出。C库中与文件描述符对应的是文件指针，与文件描述符0、1和2类似，我们可以直接使用文件指针stdin、stdout和stderr。意味着stdin、stdout和stderr是“自动打开”的文件指针。

在Linux系统中，文件描述符0、1和2分别有以下含义：

文件描述符0（STDIN_FILENO）：它是标准输入文件描述符，通常与进程的标准输入流（stdin）相关联。它用于接收来自用户或其他进程的输入数据。默认情况下，它通常与终端或控制台的键盘输入相关联。
文件描述符1（STDOUT_FILENO）：它是标准输出文件描述符，通常与进程的标准输出流（stdout）相关联。它用于向终端或控制台输出数据，例如程序的正常输出、结果和信息。
文件描述符2（STDERR_FILENO）：它是标准错误文件描述符，通常与进程的标准错误流（stderr）相关联。它用于输出错误消息、警告和异常信息到终端或控制台。与标准输出不同，标准错误通常用于输出与程序执行相关的错误和调试信息。

这些文件描述符是在进程创建时自动打开的，并且可以在程序运行期间使用。它们是程序与用户、终端和操作系统之间进行输入和输出交互的重要通道。通过合理地使用这些文件描述符，程序可以接收输入、输出结果，并提供错误和调试信息，以实现与用户的交互和数据处理。

1.文件描述符的分配规则

文件描述符的分配规则为：从0开始查找，使用最小的且没有占用的文件描述符。

所以：我们是否可是手动的关闭，系统为我们自动带的3个文件呢？so try！

先试着关闭一下0号文件描述符对应的标准输入流

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
// 我没有指明具体的路径，采用了字符串拼接的方式。
#define FILE_NAME(number) "log.txt" #number

int main()
{
   close(0);

    umask(0);
    int fd1 = open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd2 = open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd3 = open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd4 = open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd5 = open(FILE_NAME(5), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);

    printf("fd1:%d\n", fd1);
    printf("fd2:%d\n", fd2);
    printf("fd3:%d\n", fd3);
    printf("fd4:%d\n", fd4);
    printf("fd5:%d\n", fd5);

    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
    close(fd5);
}

结果，我们自己打开的文件就把0号文件描述符给占用了。接着，我们试试关闭之后写入受什么影响。

没关闭之前：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{
    //close(0);
    char buffer[1024];
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    scanf("%s",buffer);
    printf("%s\n",buffer);
}

关闭后：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{
    close(0);
    char buffer[1024];
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    scanf("%s",buffer);
    printf("%s\n",buffer);
}

我们发现：scanf函数直接无法使用，输入功能无法使用。原因是什么？

这是因为我们将0号文件描述符关闭后，0号文件描述符就不指向标准输入流了。但是当使用输入函数输入时，他们仍然会向0号中输入，但0号已经不指向输入流了，所以就无法完成输入。

大家也可以自行将1号文件描述符和2号文件描述符试着关闭一下，观察一下关闭前后有什么不同之处。

3.如何理解文件操作的本质？

我们说：文件操作的本质是进程和被打开文件之间的关系。对这句话我们应该如何理解呢？
文件描述符为什么就是数组的下标呢?
如何理解键盘，显示器也是文件？

如上图：

进程想要打开位于磁盘上的my.txt文件，文件加载到内存之后，操作系统为了管理该文件，为其创建了一个struct file结构体来保存该文件的属性信息。此时，内存中已经存在系统默认打开的标准输入流，标准输出流，标准错误流对应的struct file结构体。但是，系统中有很多进程，，一定会有大量被打开的文件，进程如何分清个哪文件属于该进程呢？我们知道task_struct结构体保存着关于该进程的所有属性。其中有一个struct file_struct*类型的指针files，指向一个struct file_struct 类型的结构体，该结构体中存在着一个struct file*类型的数组，数组的元素为struct file*类型。正好存放指向我们为每一个文件创建的struct file结构体的指针。所以，根据这个数组，我们就会很顺利的找到每一个文件的struct file结构体。进而找到每一个属于该进程的文件，然后对文件进行相关操作。由于数组的下标具有很好的唯一性，所以系统就向上层返回存放文件的struct file结构体指针的元素下标，供上层函数利用这个下标对文件进行操作。

通过这段文字，相信大家已经对我们刚刚提出的几个问题已经有了答案！

4.输入重定向和输出重定向

1.原理

重定向的原理就是：上层调用的fd不变，在内核中更改fd对应的struct file*地址。

如下图：

我们调用了close(1)关闭了输出文件流。然后打开了myfile文件，根据文件描述符的分配规则（从0开始查找最小且没有被占用的充当自己的文件描述符）。myfile的文件描述符。但是上层并不知道输入文件流对应的文件描述符已经发生改变，所以当调用printf函数时，仍然向1号文件描述符中输出。但是1号描述符对应的地址已发生改变，变为myfile，所以本想使用printf往显示器中输入的东西就会输入到myfile文件中。这就是输出重定向。

输入重定向和输出重定向原理是一样的，只不过输入重定向关闭的是输入流，输出重定向关闭的是输出文件流。

我们调用了close(0)关闭了输入文件流。然后打开了myfile文件，根据文件描述符的分配规则（从0开始查找最小且没有被占用的充当自己的文件描述符）。myfile的文件描述符。但是上层并不知道输入文件流对应的文件描述符已经发生改变，所以当调用printf函数时，仍然向0号文件描述符中输出。但是0号描述符对应的地址已发生改变，变为myfile，所以就会输入到myfile文件中。这就是输入重定向。

2.代码实现重定向

说了这么多，是不是该实现一下了：

先来实现一下输出重定向：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{
    close(1);
    umask(0); 
    int n=open("wang.txt",O_RDWR|O_CREAT,0666);
    printf("wanghan");
    close(n);
}

什么鬼？失蒜了？，其实，这时候我们输出的内容都在缓冲区内，没被刷新出来，我们需要手动刷新一下缓冲区。把代码修改一下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{
    close(1);
    umask(0); 
    int n=open("wang.txt",O_RDWR|O_CREAT,0666);
    printf("wanghan");
    fflush(stdout);//刷新缓冲区
    close(n);
}

看，我们想要打印在显示器中的东西，就被我们成功输出到了指定的文件中。

接着，我们尝试一下写输入重定向：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{
    close(0);
    umask(0); 
    int n=open("wang.txt",O_RDWR|O_CREAT,0666);
    scanf("%d",stdin);
    char arr[1024]="conglution you,you are successful";
    
    write(0,arr,strlen(arr));
    close(n);
}

但是，这搞个重定向这么复杂，是不是有点太low了？所以专门用于重定向的函数就出现了。

3.dup函数

其中，我们最常用的就是dup2。

返回值：

如果成功，返回newfd。
如果失败，返回-1。

原理：将oldfd中的struct file结构体地址拷贝到newfd中。

实例：

输出重定向

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{
   
    umask(0); 
    int n=open("wang.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC);
    dup2(n,1);//尝试写一下输出重定向。
    printf("successful");
    fflush(stdout);
    close(n);
}

达到了我们的预期效果。

输入重定向

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{
    int n=open("wang.txt",O_RDWR);
    dup2(n,0);//尝试写一下输入重定向。
    char buffer[64];
    while(1)
    {
        printf(">");
        if(fgets(buffer,sizeof buffer,stdin)==nullptr) break;    
        printf("%s",buffer);
    }
    close(n);
    return 0;
}

4.命令行中实现重定向

我们在命令行中，通过输入相关指令也可以实现重定向的功能：

'>':输入重定向
'>>':追加重定向
'<<':输出重定向

这些命令底层都是用dup实现的，大家感兴趣的可以尝试写一下代码。

二.关于缓冲区

1.现象

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{
    //C接口
    printf("hello printf\n");
    fprintf(stdout,(char*)"hello fprintf\n");
    fputs("hello fputs\n",stdout);


    //系统接口
    char *msg="hello write\n";
    write(1,msg,strlen(msg));

    fork();
    return 0;

}

我们观察到：把运行结果重定向到文件中时，C语言函数都被打印了2次，唯独操作系统接口被打印了一次。这是为什么？但是我们知道这种现象一定和缓冲区有关。

2.重新理解缓冲区

缓冲区本质就是一段内存！！谁申请的？属于谁？为什么要申请？

我们先来一个故事乐呵一下：

张三在广东，他的好朋友李四在北京。他们俩关系嘎嘎好，所以，张三总喜欢把自己用过的东西送给李四，比如包浆的键盘等等。头一开始，张三都是骑车或者坐火车亲自把东西给李四送过。一来一会都得花小半个月的时间。有一次，舍友对他说："咱们楼下不是有顺丰嘛，你干嘛不快递给他寄过去呢？"。一语点醒梦中人啊！！从那以后，张三就给李四发快递给他送东西。这样，张三就可以有时间学习和干其他事情了。所以人们都喜欢用快递发送东西，节省时间。

广东就相当于内存，北京就相当于磁盘，张三就相当于一个进程，楼下的顺丰就相当于内存中的缓冲区。内存往磁盘中写东西是非常慢的，就像张三亲自给李四送东西一样。那么缓冲区的意义是什么呢？节省进程进行数据IO的时间

但是，我们并没有做让数据写入到缓冲区的操作呀？ 我们使用的fwrite函数，与其把它当做一个文件写入函数，不如把它当做一个拷贝函数，将数据从缓冲区拷贝到“内存”或“外设”。

3.缓冲区刷新策略问题

同样的数据量，一次性全部写入到磁盘中，和多次少量写入到外设中，哪种效率最高？ 毫无疑问，一次性写入磁盘中效率最高，因为数据的读取和写入占用的时间很短，大部分时间都用来等待外设就绪。
缓冲区一定会结合自己的设备，定制自己的刷新策略：

行刷新：即行缓存，对应的设备就是显示器，我们试用的“\n”采用的刷新方式都是行刷新。虽然使用将数据一次刷新到显示器上效率最高，但是人类更习惯于按行读取内容，所以为了给用户更好的体验，使用行刷新更好。
立即刷新：相当于没有缓冲区。
缓冲区满：全刷新，常用于向磁盘文件中写入。效率最高。

有两种情况不符合刷新策略的规定

用户强制刷新，比如fflush(stdout)。
进程退出，一般都要刷新缓冲区。

4.缓冲区的位置

缓冲区在哪？指的是什么缓冲区？

首先，我们可以肯定：这个缓冲区一定不在内核中，因为如果缓冲区在内核中，write也会打印两次。

我们之前谈论的所有的缓冲区，都指的是用户级语言层面给我们提供的缓冲区。

我们之前提到过：stdout，stdin，stderr的类型都是FILE*类型，FILE是一个结构体，该结构体中除了包含一个fd，还有一个缓冲区。所以我们强制刷新缓冲区调用fflush时，都要传入一个FILE*类型的指针；我们在关闭一个进程调用fclose时，也要传入一个FILE*类型的指针。因为FILE结构体内部包含一个缓冲区。

如图：

5.如何解释刚刚的现象呢？

明白了上面的内容，我们就能够明白刚刚的现象了。

没有进行重定向。stdout默认使用的是行刷新，在进程调用fork()之前，三条C语言函数打印的信息已经显示到了显示器上(外设)。FILE内部的缓冲区不存在对应的数据了。

如果进行了重定向，写入不再是显示器，而是磁盘文件，采用的刷新策略是缓冲区满再刷新。之前的3条打印的信息，虽然带来‘\n’，但是不足以让stdout缓冲区写满。数据并没有被刷新。执行fork时，stdout属于父进程。创建子进程时，紧接着就是进程退出，谁先退出，就要先进行缓冲区刷新(也就是修改数据，发生写时拷贝）。父子进程在退出时都会刷新一次缓冲区，所以就会打印两次。

write为什么没有被打印两次呢？ 上面的过程和write无关，因为write没有FILE，而用的是fd，也就无法使用C语言层面的缓冲区。

总结

C语言的一些IO接口需要熟练掌握，例如fwrite，fread等等。明白C文件函数和系统接口之间的关系。C函数是底层库函数的封装。
当前当前路径是根据进程的cwd来决定的，C语言默认打开三个流：stdin、stdout、stderr。他们三个分别占用0、1、2三个文件描述符。
系统层面的IO交互接口有 write、open、close、read等需要理解。
文件=内容+属性；一个文件是否为空都会存在属性，而操作系统为了维护文件的属性，先描述再组织，将文件的属性组织为一个结构体file，而每个file以双链表的形式相连。
因为Linux下一切皆文件，所以文件也需要被组织起来，于是file结构体的指针file*被组织起来封装在一个叫做files_struct 指针数组内，而数组下标就是文件描述符。
重定向是根据更改文件描述符的指向的struct file结构体做到的，可以使用dup2接口做调整。
缓冲区本质上是一块内存区域，而缓冲区分为系统层缓冲区和语言层缓冲区，在C语言中缓冲区被封装在FILE结构体内，每一个文件都有自己的缓冲区。
缓冲区满了会刷新到内核中，而刷新的本质就是写入。

写到最后，本文到这里就结束了，谢谢大家观看，如果文中有什么错误，欢迎大家批评指正！！