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标题: 【Linux文件管理】重定向&&内核级缓冲区&&用户级缓冲区 [打印本页]
作者: 伤心客    时间: 2024-12-9 09:20
标题: 【Linux文件管理】重定向&&内核级缓冲区&&用户级缓冲区


  
文件管理

文件形貌符表（files_struct）

上一期我们将文件形貌符讲完了，这期来讲讲文件管理中的文件形貌符表，在task_struct有一个指针是指向文件形貌符表的。

我们进入进入文件形貌符表：

可以看到当中有许多属性，固然这些我们都不知道，但是有一个我么是知道的，就是红框框起来的，这个我们是知道的，这个是一个文件的指针数组，这个数组的下标就是文件形貌符。
我们来画一个形象的结构。

文件形貌符表的结构如图所示，我们将别的属性给屏蔽了，只留下一个指向文件的指针数组，这个file的指针数组，内存存储的是文件的属性，不但是巨细和路径还有许多属性。
有了文件形貌符表，历程和文件就可以通过文件形貌符表来管理了。
我们先简单写一段代码：
  1. #include<stdio.h>
  2. #include<sys/types.h>
  3. #include<sys/stat.h>
  4. #include<unistd.h>
  5. #include<fcntl.h>
  6. int main()
  7. {
  8.   //打开文件
  9.   int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
  11.   printf("fd:fileno:%d\n",fd);
  12.   close(fd);
  13.   return 0;
  14. }
复制代码

这段代码输出的是3，意思就是在数组中的位置就是3，为什么呢？
   原因：由于当我们运行C语言程序的时间会自动启动三个流，分别是标准输出流，标准输入流，标准错误流。这三个流分别占了数组的0,1,2这三个位置，我们可以将这三个流的文件形貌符打印一下。

  通过这个示例我们可以画出下面的图：

前三个是运行程序的时间默认打开的三个流，假如我们任意关闭一个会出现什么状况呢，我们打开的新的文件会去占据腾出来的谁人空位吗？
代码：
  1. #include<stdio.h>
  2. #include<sys/types.h>
  3. #include<sys/stat.h>
  4. #include<unistd.h>
  5. #include<fcntl.h>
  6. int main()
  7. {
  8.   close(0);
  9.   //打开文件
  10.   int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
  12.   printf("fd:fileno:%d\n",fd);
  13.   printf("stdin:fileno:%d\n",stdin->_fileno);
  14.   printf("stdout:fileno:%d\n",stdout->_fileno);
  15.   printf("stderr:fileno:%d\n",stderr->_fileno);
  16.   close(fd);
  17.   return 0;
  18. }
复制代码
我们提前将0对应的输入流给关掉了，可以可以看见结果，我们打开的新的文件去占据了从前的0的位置。

我们试试关闭输出流：

当我们关闭输出流的时间屏幕上是不会打印的，由于我们将输出流给关闭了，所以不会在屏幕上打印，又由于我们打开的文件占据了从前输出流数组下标对应的位置，所以不会打印在屏幕上，会打印在文件中，我们来查看一下：

可以看见文件中也没有，这里先不表明，这里其实存在一个用户级缓冲区，还没刷新到内核缓冲区当中，就将文件关闭了，所以这里不会写入到文件当中。
这里只需要强制刷新一下即可：
  1. #include<stdio.h>
  2. #include<sys/types.h>
  3. #include<sys/stat.h>
  4. #include<unistd.h>
  5. #include<fcntl.h>
  6. int main()
  7. {
  8.   close(1);
  9.   //打开文件
  10.   int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
  12.   printf("fd:fileno:%d\n",fd);
  13.   printf("stdin:fileno:%d\n",stdin->_fileno);
  14.   printf("stdout:fileno:%d\n",stdout->_fileno);
  15.   printf("stderr:fileno:%d\n",stderr->_fileno);
  16.   fflush(stdout);
  17.   close(fd);
  18.   return 0;
  19. }
复制代码

这里可以看到刷新了一下之后就会打印在文件当中。
这里就引入一个概念：重定向
重定向

重定向概念

概念：操作系统中的一种机制，用于将程序的输入或输出流从默认位置（通常是终端）改变到其他位置（如文件或设备）。它通过操作文件形貌符来实现，在 Linux 和 Unix 系统中非经常见。
用一张图来表示一下文件形貌符：

简单来说这就是重定向，原本1是指向标准输出流的，但是将指向改变，将1指向新的文件，这就是重定向。
重定向函数：dup2

这是一个重定向函数，我们只看dup2，


dup2这个函数的作用就是将newfd关闭，然后将oldfd指向的file用newfd指向。
我们写一段简单的代码：
  1. #include<stdio.h>
  2. #include<sys/types.h>
  3. #include<sys/stat.h>
  4. #include<unistd.h>
  5. #include<fcntl.h>
  6. int main()
  7. {
  8.   int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
  9.   int newfd = dup2(fd,1);//重定向
  10.   if(newfd == -1) perror("dup2");
  11.   printf("hello dup\n");
  12.   return 0;
  13. }
复制代码
可以看见没有打印到屏幕上，而是写入到了文件中。

文件的内核级缓冲区和用户级缓冲区

内核级缓冲区

我们所用的write和read都不是直接写入到文件当中或者直接写入到外设当中。
在这中间还有一个内核级缓冲区，需要经过内核级缓冲区，最后写入到外设由外设自主决定，这里画一个简图来形貌一下write的过程：

当我们调用write的时间，其实是将字符串拷贝到内核级缓冲区，然后由内核自主决定是否刷新到外设当中。
read的过程：

调用read的时间其实也是先从磁盘中读入到内核级缓冲区当中，最后拷贝到文件当中。
下面是Linux原码：

用户级缓冲区

用户级缓冲区：应用程序在用户空间中为存储和操作数据而分配的内存区域。与内核级缓冲区差别，用户级缓冲区完全由用户程序控制，内核不会直接干预这些缓冲区的管理。用户级缓冲区通常用于进步应用程序的性能，避免每次 I/O 操作时都直接与操作系统或外设进行交互，从而降低性能损耗。
回到之前的问题：
  1. #include<stdio.h>
  2. #include<sys/types.h>
  3. #include<sys/stat.h>
  4. #include<unistd.h>
  5. #include<fcntl.h>
  6. int main()
  7. {
  8.   close(1);
  9.   //打开文件
  10.   int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
  12.   printf("fd:fileno:%d\n",fd);
  13.   printf("stdin:fileno:%d\n",stdin->_fileno);
  14.   printf("stdout:fileno:%d\n",stdout->_fileno);
  15.   printf("stderr:fileno:%d\n",stderr->_fileno);
  16.   fflush(stdout);
  17.   close(fd);
  18.   return 0;
  19. }
复制代码
会什么这里没有fflush就不会刷新到文件当中呢？
这里假如没有close是会打印的，或者将close换乘fclose也会刷新到文件当中。原因是由于：假如我们直接close，printf所打印的内讧还在用户级缓冲区当中，还没有刷新到文件当中，原本应该打印到屏幕上，但是1关闭了，所以重定向到文件当中，但是屏幕的刷新方式是按行刷新，也就是按照\n刷新，但是这里重定向之后就是按照文件的刷新方式来进行，也就是全刷新，等文件满了才刷新，但是这里没满所以不会刷新，所以直接close时，还没有刷新到文件当中，但是假如不close，程序退出前会自动刷新。
为什么会存在用户级缓冲区呢？
   用户级缓冲区的存在是为了优化程序的 I/O 性能，淘汰频仍的系统调用开销，同时进步系统的响应速度和效率。
  

从用户级缓冲区强制刷新到内核级缓冲区叫fflush，从内核级缓冲区强制刷新到外设当中叫fsync
fsync：

总结

通过本文对文件管理及其内核级与用户级缓冲区的详细探究，我们对操作系统中文件管理的机制有了更深刻的明白。起首，我们相识了 files_struct 的作用及其怎样在内核中管理文件形貌符的详细实现，掌握了文件的重定向以及文件形貌符的相关操作。其次，通过对内核级缓冲区与用户级缓冲区的对比分析，我们认识到这两者在性能优化和内存管理中的关键作用，特别是在提拔 I/O 性能和淘汰系统调用开销方面的重要性。
文件管理作为操作系统中非常焦点的部分，不但直接影响着系统资源的使用效率，也对程序的执行性能和稳定性起着至关重要的作用。通过合理管理内核级缓冲区和用户级缓冲区，操作系统能够有效地均衡性能和资源消耗，在确保数据正确性的同时提拔系统的响应速度和吞吐量。
总之，深入明白操作系统中的文件管理机制，能够帮助我们更好地设计和优化应用程序，提拔系统的整体效率。未来，随着操作系统的不断发展和优化，文件管理机制将会面临更多新的挑战和机会，我们也将继续探索和学习，以应对新的技术发展。

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