【linux深入剖析】文件描述符 | 对比 fd 和 FILE | 缓冲区

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目录

  • 1.文件描述符fd
  • 2.文件描述符的分配规则
  • 3.重定向
    • 模拟实现<(输入重定向)
    • 模拟实现>(将命令的输出结果重定向到一个文件中)
    • 模拟实现>>(将命令的输出结果追加到一个文件中)
    • 使用 dup2 系统调用
      • 重定向stdout
      • 重定向stdin
  • 4.缓冲区
  • 5. FILE

1.文件描述符fd

通过对open函数的学习，我们知道了文件描述符就是一个小整数

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
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现在我们再来理解，什么才叫是一切皆文件呢？

我们在底层当中一定会有许多硬件，如：键盘、显示器、磁盘、网卡等。在我们眼里，这每一个硬件都是一个单独的个体，这些设备对应的操作方法一定是不一样的

  1. 对键盘：
    读：read_keyboard();
    写：write_keyboard();

  2. 对显示器：
    读：read_screen(); (空的)
    写：write_screen();
    我们是无法从显示器上读到数据的，所以对于显示器读为空

  3. 对磁盘：
    读：read_disk();
    写：write_disk();

我们每一个文件都会对应一个文件结构体便于存储

struct file
{
	int type;
	int mode;
	int pos;
	int flag;
	........
	//函数指针--方法集
	size_t(*read)(xxxx);    //读方法
	size_t(*write)(xxx);    //写方法
	struct file *next;      //下一个文件的指针
	....
}

文件对每一个键盘都会开一个文件结构体与其对应的硬件相链接

1. 文件对键盘：
读：size_t(*read)(xxxx); ---指向---> read_keyboard();
写：size_t(*write)(xxx); ---指向---> write_keyboard();

2. 文件对显示器：
读：size_t(*read)(xxxx); ---指向---> read_screen();  (空的)
写：size_t(*write)(xxx); ---指向---> write_screen();

3. 文件对磁盘：
读：size_t(*read)(xxxx); ---指向---> read_disk();
写：size_t(*write)(xxx); ---指向---> write_disk();

在这里插入图片描述

我们读键盘，就会调用键盘对应的函数接口，其他的同理，在上层我们只需要对文件函数指针进行调用就可以，因为有函数指针的存在，对于上层用户就可以认为一切皆指针，对我们来说硬件的差异已经被文件结构体屏蔽掉了。

这就相当于我们使用C语言实现了面向对象，对于不同的对象实现不同的功能，其函数指针也就相当于我们C++的多态调用！

2.文件描述符的分配规则

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  printf("fd: %d\n",fd);

  return 0;
}

在这里插入图片描述
输出是fd：3，原因上一节也讲过，这是因为012默认打开了

  • 我们将0标准输入关掉会发生什么？
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  close(0);   //将0标准输入关掉
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  printf("fd: %d\n",fd);

  return 0;
}

在这里插入图片描述

发现是结果是： fd: 0

可见，文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。

3.重定向

我们关掉标准输出1

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  close(1);   
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  printf("fd: %d\n",fd);
  return 0;
}

在这里插入图片描述

此时，我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件log.txt(myfile)当中，其中，fd＝1。

这种现象叫做输出重定向。常见的重定向有:>, >>, <

那重定向的本质是什么呢？
在这里插入图片描述

模拟实现<(输入重定向)

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  close(0);
  open("log.txt",O_RDONLY);   //0
  int a = 0;
  scanf("%d",&a);    //scanf认定的是标准输入stdin -> _fileno = 0
  printf("%d\n",a);

  return 0;
}

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在这里就是将下标为0的文件描述符指针指向了我们的文件log.txt，这样就实现了我们输入重定向，直接从文件里面读的数据，因为scanf并没有从我们的键盘读入数据

模拟实现>(将命令的输出结果重定向到一个文件中)

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  close(1);
  open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);   //0
  printf("hello printf\n");
  fprintf(stdout,"hello fprintf\n");
  
  return 0;
}

在这里插入图片描述
我们就实现了直接对文件进行写入

在这里就是将下标为1的文件描述符指针指向了我们的文件log.txt，这样就实现了我们输出重定向

模拟实现>>(将命令的输出结果追加到一个文件中)

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  close(1);
  open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666); 
  printf("hello printf\n");
  fprintf(stdout,"hello fprintf\n");
  
  return 0;
}

在这里插入图片描述

使用 dup2 系统调用

我们上面几个方式还是太复杂了，接下来我们来感受一个新的函数–dup2函数

在Linux中，dup2函数是用于复制文件描述符的函数。它的原型如下：

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

  • 该函数的作用是将oldfd指向的文件描述符复制到newfd指向的文件描述符。如果newfd已经打开，则会先关闭newfd指向的文件描述符，然后再复制oldfd。

  • dup2函数的返回值为新的文件描述符，如果复制成功，则返回newfd；如果出错，则返回-1，并设置errno来指示错误类型。

  • 使用dup2函数可以实现重定向标准输入、输出和错误输出。例如，可以将标准输出重定向到一个文件中，或者将标准错误输出重定向到一个套接字中。

重定向stdout

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666); 
  dup2(fd, 1);
  printf("hello hahahaha\n");
  return 0;
}

在这里插入图片描述
要想使用重定向，使用dup2函数就可以了

其实我们使用的printf/scanf/fprintf/fscanf/sscanf/sprintf....这些是只认stdin/stdout的，也就是说只认文件描述符为0/1的

重定向stdin

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_RDONLY); 
  dup2(fd, 0);
  char buffer[1024];
  while(1)
  {
    char* s =fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);
    if(s == NULL) break;
    printf("file content: %s", buffer);
  }
  return 0;
}

在这里插入图片描述

我们将stdin指向了文件log.txt，于是我们从log.txt中读取数据

4.缓冲区

缓冲区它就是一块内存区

为什么要有缓冲区？

比如说这里有你的宿舍和你朋友的宿舍，你们不在同一个城市，相隔较远，但是你朋友今天过生日，你给他买了一个键盘，你就抱着键盘，坐火车去你朋友的城市，再去到他的学校门口，最后喊他出来拿生日礼物。这个方式是不是效率太低了？

  • 我们其实可以通过寄快递的方式，将你的礼物送给你的朋友，你也只需要出宿舍进到快递站，这个快递站就相当于我们的缓冲区，缓冲区的存在意义就在于提高我们使用者的效率。因为有快递站的存在，我们就可以把东西给他就可以实现目的，同样的，我们只需要将数据拷贝到缓冲区就可以了；我们将东西送到快递站之后，快递站也不是一收到你的东西他就会立马给你送，它会收到很多东西后，一起进行发送，同样的，我们的缓冲区也会聚集数据，一次拷贝，提供整体效率，有了缓冲区，就可以减少我们拷贝的次数，缓冲区的主要目的就是提高效率

从技术角度来说，缓冲区的本质就是一块内存区域，其提高效率的本质就是使用空间换时间。

  • 我们平时所用的缓冲区，和操作系统内核本身没有任何关系(尽管他有)，我们这个缓冲区是语言层面的缓冲区，对于我们遇到的就可以解释为C语言会自带缓冲区
  • 进程的pcb指向自己的文件描述表，文件描述表指向我们的文件结构体，文件结构体里有指针指向我们的文件缓冲区，再由文件缓冲区会将我们的数据刷新到磁盘里。
  • 调用系统调用是有成本的，时间&&空间，例如：创建一个进程是需要fork的，在系统里要对其申请一大堆东西，这是需要大量时间空间的，所以系统会提前申请好一大堆空间，我们需要用的时候直接用。
  • C语言在它自己的语言层定义了一层缓冲区，我们写数据是将数据写到C语言的缓冲区里，再由它调用系统调用帮我们写入内核。
  • 为什么C语言要维护这么一个缓冲区？
    提供C语言的缓冲区可以让我们在调用fwrite的函数调用系统调用的过程中减少我们对系统调用的次数，我们将一次调用的结果拷贝到缓冲区，之后每次调用就可以直接调用，不用再重复进行系统调用了，系统调用是需要成本的，通过缓冲区可以整体提高我们的拷贝效率，直接提高C接口的使用效率！

缓冲区是如何刷新数据的？

应用层缓冲区刷新策略

  1. 无刷新，无缓冲
  2. 行刷新 — 显示器 — xxx\nyyy 将\n之前的数据xxx给你刷新出去
  3. 全刷新，全部刷新 — 普通文件，我们访问普通文件会将缓冲区写满再刷新
  4. 用户强制刷新
  5. 进程退出时自动刷新

内核缓冲区是由操作系统自主决定的

5. FILE

因为IO相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过fd访问的。
所以C库当中的FILE结构体内部，必定封装了fd。

缓冲区具体在哪里？

我们的stdin,stdout,stderr,fp都是FILE*的文件，每一个文件都对应一个缓冲区，缓冲区是在FILE结构体中维护的。所以我们平时使用的fwrite和fputs，的参数都有FILE*的参数，我们输入的字符串都会在FILE*内部的缓冲区进行拷贝，我们调用十次百次都会在其中进行调用，就不需要重复调用系统调用，提高效率

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb,FILE *stream);

int fputs(const char *s, FILE *stream);

来段代码研究一下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
 const char *msg0="hello printf\n";
 const char *msg1="hello fwrite\n";
 const char *msg2="hello write\n";
 printf("%s", msg0);
 fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);
 write(1, msg2, strlen(msg2));
 fork();
 return 0;
}

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但如果对进程实现输出重定向呢？ ./hello > file ， 我们发现结果变成了：
在这里插入图片描述
我们发现 printf 和 fwrite （库函数）都输出了2次，而 write 只输出了一次（系统调用）。为什么呢？肯定和fork有关！

  • 一般C库函数写入文件时是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲。
  • printf fwrite 库函数会自带缓冲区（进度条例子就可以说明），当发生重定向到普通文件时，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。
  • 而我们放在缓冲区中的数据，就不会被立即刷新，甚至fork之后
  • 但是进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中。
  • 但是fork的时候，父子数据会发生写时拷贝，所以当你父进程准备刷新的时候，子进程也就有了同样的一份数据，随即产生两份数据。
  • write 没有变化，说明没有所谓的缓冲

综上：

  1. printf fwrite库函数会自带缓冲区，而 write 系统调用没有带缓冲区。另外，我们这里所说的缓冲区，都是用户级缓冲区。其实为了提升整机性能，OS也会提供相关内核级缓冲区，不过不再我们讨论范围之内。
  2. 那这个缓冲区谁提供呢？printf fwrite是库函数， write 是系统调用，库函数在系统调用的“上层”， 是对系统调用的“封装”，但是write没有缓冲区，而 printf fwrite 有，足以说明，该缓冲区是二次加上的，又因为是C，所以由C标准库提供

如果有兴趣，可以看看FILE结构体

typedef struct _IO_FILE FILE; 在/usr/include/stdio.h

struct _IO_FILE {
	int _flags; /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags
	//缓冲区相关
	/* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
	/* Note: Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
	char* _IO_read_ptr; /* Current read pointer */
	char* _IO_read_end; /* End of get area. */
	char* _IO_read_base; /* Start of putback+get area. */
	char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
 	char* _IO_write_ptr; /* Current put pointer. */
	char* _IO_write_end; /* End of put area. */
	char* _IO_buf_base; /* Start of reserve area. */
	char* _IO_buf_end; /* End of reserve area. */
	/* The following fields are used to support backing up and undo. */
	char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
	char *_IO_backup_base; /* Pointer to first valid character of backup area */
	char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */
	struct _IO_marker *_markers;
	struct _IO_FILE *_chain;
	int _fileno; //封装的文件描述符
#if 0
	int _blksize;
#else
	int _flags2;
#endif
	_IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small. */
#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
	/* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */
	unsigned short _cur_column;
	signed char _vtable_offset;
	char _shortbuf[1];
	/* char* _save_gptr; char* _save_egptr; */
	_IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

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