【lesson35】基础IO之fd周边问题

基础IO要讲的知识点介绍

1.复习一下C语言的接口
2.直接使用系统接口
3.分析系统接口的细节，引入fd（文件描述符）
4.fd的周边问题（fd的理解、fd和file的关系、fd分配规则、fd重定向…）

fd周边问题

我们前面学了fd，那么fd到底是什么？
进行访问文件必须先打开文件，那么一个进程可以打开多个文件吗？可以的！
一般而言进程 ： 打开的文件 = 1 ： n的关系。
文件要被访问，前提是加载到内存中，才能被直接访问！

因为进程 ： 打开的文件 = 1 ： n的关系，那么如果多个进程都打开自己的文件呢？
系统中就会存在大量被打开的文件！
所以OS要不要把如此多的打开文件管理起来？要
如何管理？先描述，再组织！
在内核中如何看待打开的文件？
OS内部为了管理每一个被打开的文件，所以为每个打开的文件构建了struct file。

创建struct file的对象充当被打开的文件，如果有很多呢？
再用双链表组织起来

进程和文件的对应关系如下图：

再具体点

所以fd本质就是一个数组的下标的。

文件分两类：
1.被打开的文件（内存文件）
2.没有被打开的文件（磁盘文件）

而现在知道，文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。**每个进程都有一个指针*files, 指向一张表files_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！**所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件。

fopen和fwrite的底层调用逻辑
fopen->open->fd（用fd封装FILE文件）->FILE->*FILE**（返回给）->fopen

fwrite->FILE*->fd->write->write(fd,.....)->进程自己执行OS内部的write方法->能找到进程的task_struct->*files->file_struct->fd_array[fd]->struct_file->内存文件被找到->开始操作

理解了什么是fd接下来就要知道fd的分配规则到底是什么。


我们看到关闭0号文件，它占用的就是0号描述符。
所以fd的分配规则：最小的，没有被占用的文件描述符

输出重定向

运行结果

我们内容确实达到显示器上了，但是如果我们关闭1，显示器也就关闭了，这内容会打向哪里呢？


我们看到内容确实没打到显示器上。
那么打印到了哪里呢？

打印到了log.txt中，这就是输出重定向。
原理：

而接下来向1中写的内容不会写到stdout中只会写到log.txt中，这就是重定向的原理。
重定向本质：在OS内更改fd对应的内容指向！

输入重定向的演示：

 #include <stdio.h>
  2 #include <string.h>
  3 #include <unistd.h>
  4 #include <sys/types.h>
  5 #include <sys/stat.h>
  6 #include <fcntl.h>
  7 
  8 int main()
  9 {
   
 10   //默认打开0 1 2 关闭0号文件描述符
 11   close(0);
 12   int fd = open("log.txt",O_RDONLY,0666);
 13   if(fd < 0)
 14   {
   
 15     perror("open");
 16   }
 17   else
 18   {
   
 19     char buffer[64];
 20     while(fgets(buffer,sizeof(buffer),stdin) != NULL)
 21     {
   
 22 
 23       fprintf(stdout,buffer,NULL);                                                                                                                                  
 24     }
 		close(fd);
 39   }
 40   return 0;
 41 }

运行代码

我们看到本来应该从stdin读取的内容变成从log.txt里面读取。

追加重定向：
我们只要把输出重定向的O_TRUNC改成O_APPEND即可。
这里大家自己更加，我便不演示了。

我们之前都是自己手动关闭0,1的，这样太挫了，下面就有个函数帮助我们。


问题：
dup2拷贝是在拷贝什么？拷贝的是文件描述符数组里面的指针。
谁是谁的拷贝？
是把new拷给old？
还是把old拷给new？
看英文可知是把：oldfd拷贝给newfd。所以最后newfd里面的指针和oldfd一样
理解：

输出重定向更改

运行代码

追加重定向更改

运行代码

输入重定向这里就不更改了，逻辑一样大家自行更改即可。

如何理解一切皆文件呢？->Linux的设计哲学->体现在OS的软件设计层面！

LinuxC语言写的！如何用C语言实现面向对象，甚至是运行时多态呢？->struct类但是我们知道struct类是没有成员函数的那么如何实现呢？函数指针！

底层不同的硬件，一定对应的是不同的操作方法！但是上面的设备都是外设，所以每一个设备都核心访问函数都可以是read，write的I/O操作。
所有设备都可以有自己的read和write，但是代码的实现一定是不一样的。

所以在struct file的这层往上就没有任何硬件的区别了
看待所有文件的方式，都统一成为了struct file->所以就有了Linux下一切皆文件的说法。

接下来就是缓冲区的理解：
1.什么是缓冲区？就是一段内存空间
（这个空间谁提供？用户？语言？OS？）
2.为什么要有缓冲区？

故事：
小明在云南大学想给远在北京邮电的小华送一些书过去。
送书有2种方法：
1.自己骑车送过去（写透模式(WT) 成本高，花时间多，慢）
2.快递发送点

这是写回模式(WB) 成本低，花时间少，快

那么顺丰是立马发送吗？
不是，是快递累积到一定数量后再发送

在这个故事里的顺丰就是典型的缓冲区的意义：目的是体改整机的效率

类比：
顺丰：缓冲区
小明：用户
小华：磁盘
书： 数据

缓冲区主要是为了提高用户的响应速度。

缓冲区刷新策略：
顺丰发送策略对应缓冲区的刷新策略：
1.立即发送（立即刷新）
2.架子上的快递一行一行发送的行发送（行缓冲）
3.快递架子满了在发送（全缓冲）

特殊情况：
1.用户强制刷新（fflush）
2.进程退出

缓冲策略 = 一般加特殊

那么缓冲区到底谁提供的？
C？OS？
写一段代码：

运行代码

我们发现把内容打印到stdout的内容重定向到log.txt中，log.txt中
C语言提供的接口打印了两次
OS提供的接口打印了一次
接来下我们把fork注释掉看一下，运行结果


这里说明一个问题，这个现象绝对个fork有关。
那么为什么OS提供的接口打印一次，C提供的接口打印两次下次再说。