【Linux】 基础IO——文件(下)
@TOC
1. 文件描述符为什么从3开始使用？
修改test.c文件内容
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#define LOG "log.txt"
int main()
{
umask (0);//将权限掩码设置成0
int fd=open(LOG, O_RDONLY );//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个
if(fd==-1)//说明打开失败
{
printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息
}
else
printf("fd :%d\n", fd);
char buffer[1024];
ssize_t n= read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);//使用系统接口来进行IO的时候，一定要注意\0的问题
if(n>0)//成功了，实际读到了多少字节
{
buffer[n]='\0';
printf("%s\n",buffer);
}
close(fd); //关闭文件
return 0;
} 运行可执行程序，发现文件描述符返回的是3
但为啥是3，不是0 ，1，2 任何一个进程，在启动的时候，默认会打开当前进程的三个文件： 标准输入、标准输出、标准错误 ——本质都是文件 C语言：标准输入(stdin) 标准输出(stdout) 、标准错误(stderr) ——文件在系统层的表现 C++： 标准输入(cin) 标准输出(cout) 、标准错误(cerr) ——文件在系统层的表现，它是一个类
因为Linux下一切皆文件，所以向显示器打印，本质就是向文件中写入 标准输入---设备文件--->键盘文件 标准输出---设备文件---> 显示器文件 标准错误---设备文件---> 显示器文件
创建test.cc文件(cc后缀即cpp代码)
#include<iostream>
#include<cstdio>//写C++时，使用C++风格的C语言代码
int main()
{
//C语言
printf("hello printf->stdout\n");//向stdout进行输出
fprintf(stdout,"hello printf->stdout\n ");//将数据向stdout进行输出
fprintf(stderr,"helllo printf->stderr\n");//将数据向标准错误打印
//C++
std::cout<<"hello cout->cout"<<std::endl;//表示标准输出
std::cerr<<"hello cerr->cerr"<<std::endl;//向标准错误中打印数据
return 0;
} 
输出重定向是将标准输出重定向，此时log.txt文件中只会存在标准输出的内容 所以标准输出和标准错误都会向显示器打印，但是其实是不一样的
0默认对应标准输入，1默认对应标准输出、2默认对应标准错误
修改myfile.c文件内容
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#define LOG "log.txt"
int main()
{
int fd1=open(LOG,O_WRONLY |O_CREAT | O_TRUNC,0666);
int fd2=open(LOG,O_WRONLY |O_CREAT | O_TRUNC,0666);
int fd3=open(LOG,O_WRONLY |O_CREAT | O_TRUNC,0666);
int fd4=open(LOG,O_WRONLY |O_CREAT | O_TRUNC,0666);
int fd5=open(LOG,O_WRONLY |O_CREAT | O_TRUNC,0666);
int fd6=open(LOG,O_WRONLY |O_CREAT | O_TRUNC,0666);
printf("%d\n",fd1);
printf("%d\n",fd2);
printf("%d\n",fd3);
printf("%d\n",fd4);
printf("%d\n",fd5);
printf("%d\n",fd6);
return 0;
}
运行可执行程序，发现 打印结果为 3 4 5 6 7 8 因为 标准输入、标准输出、标准错误分别占用了0 、1、2，所以只能从3开始
文件描述符(open对应的返回值）本质就是数组的下标
2. 文件描述符本质理解
启动代码时就会变成一个进程，该进程在内核中就必须有自己的数据结构 struct task_struct， 称之为当前进程所对应的进程描述符 打开文件时，操作系统会把文件加载到内存里，以供CPU通过进程的方式来访问对应的文件
任何一个进程，在启动的时候，默认会打开进程的三个文件，系统中一定会存在大量被打开的文件，这些文件一定会被操作系统管理起来，通过先描述，在组织，创建 struct file 结构体，该结构体一定包含文件属性等，每一次创建并打开文件时，都是在内核中创建一个struct file的结构体
目前认为只要找到file，就可以找到所有文件内容 为了维护一个进程和多个文件的映射关系，在内核中定义了数据结构struct files_struct,该结构体内部有一个数组struct file* fd [ ] ，是一个内容为struct file*的数组 当进程初始化时，会创建struct files_struct 结构体，通过结构体找到数组，只要有数组一定有下标
3. 如何理解Linux下的一切皆文件？
内存把数据写到显示器上，属于写入的过程，读取是从键盘中读取的，键盘输入后，操作系统把输入的数据回显到显示器上了，所以显示器只能负责打印
不同的硬件所对应的方法是完全不一样的，打开键盘时，操作系统内部会创建struct file对象
将键盘的read方法和 write方法 保存到函数指针中
每一个设备也只需要把方法的地址放入函数指针中 在当前进程看来，所有的东西都是文件对象，要有数据放到缓冲区里，底层读写时只需要调用对应的方法，来完成对应的读写，不关心底层的差异化 操作系统也有自己的wirte和read，本质上是拷贝，将应用层的数据拷贝到缓冲区里，在调用底层不同设备的方法，所以看起来就是Linux下一切皆文件
4. FILE是什么，谁提供？和内核的struct有关系么？
操作系统层面，必须要访问fd，才能找到文件 任何语言层访问外设或者文件必须经历操作系统 FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
FILE是一个结构体，FILE由C语言提供的
C语言动态库
C语言头文件
证明struct FILE结构体中存在文件描述符fd
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#define LOG "log.txt"
int main()
{
printf("%d\n",stdin->_fileno);//fileno代表文件描述符
printf("%d\n",stdout->_fileno);
printf("%d\n",stderr->_fileno);
FILE*fp=fopen(LOG,"w");
printf("%d\n",fp->_fileno);
return 0;
} 
说明结构体struct FILE内部存在文件描述符 同时因为0 1 2 被占用了，所以我们自己写的文件描述符返回3
5. 重定向的本质
关闭文件描述符0后，发现从0开始可以被输出了
关闭文件描述符0和2后，发现0和2都可以被使用了
进程中，文件描述符的分配规则：在文件描述符表中，最小的，没有被使用的数组元素分配给新文件
输出重定向
若不关闭文件描述符1，当前printf打印的结果显示到显示器上面
关闭文件描述符1，再打开新的文件log.txt
此时运行可执行程序没有显示出you can see me，打开新文件发现本来应该打印到显示器的内容，打印到log.txt中了
本来应该打印到显示器上的内容，打印到文件里 ，这种现象叫做重定向
在文件描述符表中，最小的，没有被使用的数组元素分配给新文件，所以把文件描述符1分配给了log.txt
1号下标里面的地址填成了log.txt文件的地址，上层printf打印它知道吗？ 不知道，它也不关心，它只认文件描述符1
重定向的原理：在上层无法感知的情况下，在OS内部 ，更改进程内部对应的文件描述符表中，特定下标的指向
输入重定向
先在log.txt文件中输入内容 123 456 修改myfile.txt文件内容
关闭文件描述符0，所以scanf读取时会读取log.txt文件中的内容
读取的内容与log.txt文件内容相同
本来要从键盘中读取，结果现在要在文件中读取，这叫做输入重定向
追加重定向
关闭文件描述符1后，导致printf不会打印在显示器上，而是追加到log.txt文件中
运行可执行程序，无显示，都追加到log.txt文件中
重定向函数 ——dup2
输入 man dup2 查看
刚刚重定向时，需要先关闭文件描述符1，再打开文件 现在可以直接将文件打开，使用dup2重定向 输出重定向对应的文件描述符是1 打开myfile文件，假设其文件描述符是fd newfd为oldfd的一份拷贝，最后只剩下oldfd dup2(fd,1)
将3号描述符里面的内容拷贝到1里面，用3号内容覆盖1号内容，此时1号描述符就不再指向标准输出了，转而指向myfile文件，写入1的内容，就会写入文件中
把本来应该显示到标准输出的内容，显示到log.txt文件中
此时printf打印内容显示到log.txt文件中
6. 如何理解缓冲区？
修改myfile.c文件的内容
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#define LOG "log.txt"
int main()
{
//C库
fprintf(stdout,"hello world\n");
//系统调用
const char*msg="hello write\n";
write(1,msg,strlen(msg));
fork();
return 0;
}
运行可执行程序只有两行信息，但是重定向到log.txt文件后，打印出三行信息，说明重复打印了
若将fork函数注释掉后，发现 两者显示结果相同\
struct FILE除了会封装fd之外，还会预留一部分输出缓冲区 当把字符串想写入stdout中时 ，struct FILE除了fd，还有一部分缓冲区 当我们想写的时候，并不是把数据拷贝到操作系统内部，而是把数据放到缓冲区当中 此时这个fprintf函数会直接返回 C库会结合一定的刷新策略，将缓冲区中的数据写入操作系统(write(FILE->fd,xxxx))
刷新策略： 1.无缓冲 (不提供缓冲) 2.行缓冲 如果碰到\n，就会把\n在内之前的内容刷新出来 3. 全缓冲 只有把缓冲区写满的时候，才会刷新缓冲区 显示器采用的刷新策略：行缓冲 普通文件采用的刷新策略：全缓冲
为什么要有缓冲区？ 节省调用者的时间 系统调用也会花费时间 可能写了10次，如果每次调用fprintf传给操作系统 都要花费时间 但若都写入缓冲区中，统一传给操作系统 效率就变高了
write接口不论有没有重定向，都会正常打印，因为调用write是系统调用 没有缓冲区，直接调用就写给操作系统了 而使用fprintf ，数据会先写入缓冲区 当要打印到显示器中时 刷新策略：行缓冲 因为打印的内容都存在\n，在调用fork时，打印的内容已经在缓冲区中被刷新走了，刷新之后在fork就没有任何意义了 所以fork就什么也没干
当打印到普通文件时 刷新策略：全缓冲 使用 hello world 没办法把缓冲区写满，就无法刷新，父子两个进程都要刷新 刷新就要对缓冲区做清空，即对数据做修改，此时谁先刷新就先发生写时拷贝，所以最终就会打印两次相同数据
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