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一.文件描述符
1.重新理解文件
1.推论
2.证明
2.理解文件描述符
1.文件描述符的分配规则
3.如何理解文件操作的本质#xff1f;
4.输入重定向和输出重定向
1.原理
2.代码实现重定向
3.dup函数
编辑
4.命令行中实现重定向 二.关于缓冲区
1.现象 …目录
一.文件描述符
1.重新理解文件
1.推论
2.证明
2.理解文件描述符
1.文件描述符的分配规则
3.如何理解文件操作的本质
4.输入重定向和输出重定向
1.原理
2.代码实现重定向
3.dup函数
编辑
4.命令行中实现重定向 二.关于缓冲区
1.现象
2.重新理解缓冲区
3.缓冲区刷新策略问题
4.缓冲区的位置
编辑
5.如何解释刚刚的现象呢
总结 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 #numberint 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0,12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_SECURITYvoid *f_security;
#endif/* needed for tty driver, and maybe others */void *private_data;#ifdef CONFIG_EPOLLstruct 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stdinstdoutstderr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 #numberint 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writeread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0STDIN_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1STDOUT_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2STDERR_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 #numberint 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
#includestdio.h
#includeunistd.h
#includestring.h
int main()
{//close(0);char buffer[1024];memset(buffer,0,sizeof(buffer));scanf(%s,buffer);printf(%s\n,buffer);
} 关闭后
#includestdio.h
#includeunistd.h
#includestring.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
#includestdio.h
#includeunistd.h
#includestring.h
#includesys/stat.h
#includesys/types.h
#includefcntl.h
int main()
{close(1);umask(0); int nopen(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
#includestdio.h
#includeunistd.h
#includestring.h
#includesys/stat.h
#includesys/types.h
#includefcntl.h
int main()
{close(1);umask(0); int nopen(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 #includestdio.h
#includeunistd.h
#includestring.h
#includesys/stat.h
#includesys/types.h
#includefcntl.h
int main()
{close(0);umask(0); int nopen(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
#includestdio.h
#includeunistd.h
#includestring.h
#includesys/stat.h
#includesys/types.h
#includefcntl.h
int main()
{umask(0); int nopen(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
#includestdio.h
#includeunistd.h
#includestring.h
#includesys/stat.h
#includesys/types.h
#includefcntl.h
int main()
{int nopen(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
#includestdio.h
#includestdlib.h
#includeunistd.h
#includestring.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 *msghello 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stdoutstdinstderr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fwritefread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
