Linux 基础IO 二

1.文件描述符的分配规则

#include<stdio.h>
#include<string.h>
//#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>int main()
{close(1);//fd分配原则，从最小的开始，没有被占用的文件描述符给新打开的文件；int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_TRUNC | O_RDONLY, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}//按道理，都应该是往显示器（标准输出）打印的；//但是下面的都写入到了log.txt中；//这叫什么呢？输出重定向；printf("fd:%d\n", fd);//stdout在FILE中的fd=1；而printf只向1中打印，他不管1到底是谁；1原本指向的是stdout，现在成了log.txt;fprintf(stdout, "hello printf\n");const char* s = "hello fwrite\n";fwrite(s, strlen(s), 1, stdout);return 0;
}

1.1输出重定向原理：文件操作前，进程会默认关联打开三个文件标准流文件；可是已经关闭了标准输出流，相当于把files_struct arrary指针数组中的'1'位置的数据置为了NULL；可是上层面已经把stdout 设置成了‘1’；根据文件描述符分配规则；所以就写入了log.txt;

重定向的本质，其实就是在OS内部，更改fd对应的内容的指向；

1.2输入重定向

#include<stdio.h>
#include<string.h>
//#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>int main()
{close(0);int fd = open("log.txt", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd:%d\n");char buffer[64];fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);printf("%s\n", buffer);return 0;
}

1.3追加重定向

#include<stdio.h>
#include<string.h>
//#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>int main()
{close(1);int fd = open("log.txt", O_APPEND |O_WRONLY |O_CREAT);if (fd < 0){perror("open");return 1;}fprintf(stdout,"you can see me sucessly\n");return 0;
}

2.以上全是野路子，是为了理解基本原理来写的；具体的看以下：

函数int  dup（int oldfd,int newfd）  :1：newfd  3：oldfd

#include<stdio.h>
#include<string.h>
//#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>int main(int argc,char* argv[])
{if (argc != 2) return 2;int fd = open("log.txt", O_CREAT |O_WRONLY |O_CREAT);if (fd < 0){perror("open");return 1;}fprintf(stdout,"%s\n",argv[1]);//stdout ->1->显示器dup2(fd, 1);  //重定向fprintf(stdout, "%s\n", argv[1]);close(fd)return 0;
}

3. 底层不同的硬件，一定对应着不同的操作方法。

但是不同的硬件都是外设，每一个设备的核心的访问函数都可以是  read  、write  （I/O）

所以：所有的设备，都有自己的read、write 但是代码的实现都不一样，就形成了类似C++的多态，调的函数名相同，但调用的不同——这样就是Linux下的一切皆文件——>VFS (virtual file system)虚拟文件系统

4.缓冲区问题

4.1什么是缓冲区？ 答：就是一段内存空间

4.2为什么要有缓冲区？答：为了提高效率。如果cpu想向外设发送数据，肯定会等待多条数据一同发送到同一个外设中，而不是多次发送，所以提高了效率；主要是为了提高用户的响应速度；（写回模式）cpu太快了，相比之下磁盘太慢了，cpu等不起磁盘写入；

4.3缓冲区在哪里？谁提供？  答：

4.4缓冲区的发送数据的策率？答： 1.立即刷新  2.行刷新 （行缓冲，一般以\r,\n）3.满刷新（全缓冲：必须把缓冲区写满了，就刷新） 4.特殊情况：1.用户强制刷新（fflush） 2.进程退出，也会强制刷新；

4.5关于缓冲区的认知

一般而言，行缓冲的设备文件——是显示器

全缓冲的设备文件——磁盘文件

所有的设备，永远都倾向于全缓冲！因为缓冲区满了才刷新，意味着需要更少次的I/O操作——>更少的外设访问成本（提高效率）——cpu、内存和外设I/O的时候，数据量的大小不是主要矛盾，和外设预备I/O的过程才是最耗费时间的；其他的刷新策略，都是结合实际情况做的妥协；

显示器：是直接给用户看的，一方面要照顾效率，一方面要照顾用户体验；

极端情况下：是可以自定义规则的；

5.同样一个程序，向显示器打印输出4行文字，向普通文件（磁盘文件）打印输出7行，其中C的I/O接口打印了两次，系统接口打印了1次，和向显示器打印一样；

#include<stdio.h>
#include<string.h>
//#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>int main()
{//C语言提供的fprintf(stdout, "hello fprintf\n");printf("hello printf\n");const char* s = "hello fputs\n";fputs(s, stdout);//OS提供的const char* ss = "hello write\n";write(1, ss, strlen(ss));//注意我是在最后才调用的fork，上面的函数已经跑完了fork();//创建子进程；return 0;
}

问题1：上面的测试，并不能影响系统接口！

问题迁移：上述代码用到了几个知识？ 答：写时拷贝技术，将缓冲区的数据考了一份给子进程；显示器和磁盘的刷新策略不同；文件输出重定向；————对程序进行了重定向，隐形的刷新策略变成了全缓冲，\n无意义了，fork的时候，函数已经执行完了，但是数据还未刷新，父进程里的缓冲区的数据，会被子进程接收，fork之后，父子分流，之后return，父子各自退出；进程退出，强行刷新；刷新是将缓冲区数据刷给内存，也是写时拷贝（不仅仅是改变变量数据）给子进程，所以打印了两份

如果有所谓的缓冲区，我们之前所谈的缓冲区，绝对不是由操作系统提供的，应该是由C标准库维护的，也就所谓的语言层面维护的；

5.1缓冲区在哪？答：进程启动连接了C标准库，缓冲区就是C标准库中开辟的一段内存空间，fputs数据，就是把数据写入到了这段内存空间中，在由标准库调用系统接口，压入磁盘；

5.2以上说的缓冲区是C标准库给我们提供的用户级缓冲区；也就是还存在内核级缓冲区；file结构体中也是存在内核缓冲区的，一旦使用write写入内核缓冲区，就代表和进程无关了；

5.3结构体file对象中，不止由fd，还有与缓冲区相关的类型指针

6.实战：自己设计用户缓冲区，minishell支持重定向；

#include<stdio.h>
#include<string.h>
//#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>struct my_file
{int fd;int end;  //当前缓冲区的结尾；char buffer[1024];
};
typedef struct my_file my_file;my_file* fopen_(const char* pathname, const char* mode) 
{assert(pathname);assert(mode);my_file* fp = NULL;if (strcmp(mode, "r") == 0)//C语言用的穷举，C++直接map，里面放lamda就行；{}else if (strcmp(mode, "w") == 0){int fd = open(pathname, O_WRONLY | O_TRUNC | O_CREAT,0666);if (fd >= 0){fp = (my_file*)malloc(sizeof(my_file));memset(fp, 0, sizeof(my_file));fp->fd = fd;}}return fp;
}
void fputs_(const char* message, my_file* fp)//这个接口是由C标准库来执行
{assert(message);assert(fp);strcpy(fp->buffer + fp->end, message);fp->end += strlen(message);//刷新策略;是用户通过执行C标准库中的代码逻辑，来完成刷新；//这里效率提高，体现在哪里？因为C提供了缓冲区，那么我们减少了IO的执行次数if (fp->fd == 0){//标准输入}else if (fp->fd == 1){//标准输出if (fp->buffer[fp->end - 1] == '\n'){write(fp->fd, fp->buffer, fp->end);fp->end = 0;}}else if (fp->fd == 2){//标准错误}else{//其他文件}
}
void fclose_(my_file* fp)
{assert(fp);fflush_(fp);close(fp->fd);free(fp);
}
void fflush_(my_file* fp)
{assert(fp);if (fp->end != 0){//暂且认为刷新——其实是把数据写到了内核write(fp->fd, fp->buffer, fp->end);syncfs(fp->fd);//将数据写入磁盘fp->end = 0;}}int main()
{my_file* fp = fopen_("./log.txt,", "w");if (fp == NULL){printf("open file error");return 1;}fputs_("hello world", fp);fclose_(fp);return 0;
}