【Linux】解锁文件形貌符奥秘，高效缓存区的实战本领 ...

1. 文件形貌符fd

1.1. 概念与本质

• 定义：是用于标识打开文件的非负整数。
  
• 文件形貌符的本质，就是数组下标。
  

1.2. 打开文件的管理

   问：为什么访问文件的体系调用接口，都必需使用文件形貌符fd？
  

• 当我们打开一个文件时，OS会在内存中创建一个file结构体，用来形貌被打开的文件，这个结构体包罗了文件的当前读写位置、文件形貌符、文件路径等相干信息。
  

1. struct file {
2.     struct path f_path;          // 文件路径
3.     struct file_operations *f_op; // 文件操作指针
4.     int _fileno;                  //文件描述符
5.     loff_t f_pos;                // 当前文件读写位置
6.     ...
7. };
9. struct file_operations {
10.     int (*open)(struct inode *, struct file *);
11.     int (*release)(struct inode *, struct file *);
12.     ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
13.     ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
14.     loff_t (*llseek)(struct file *, loff_t, int);
15.     ...
16. };

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• 因为open函数是由进程来实行的，所以必须让进程和文件关联起来。在每一个task_struct结构体中都包罗了一个struct file_struct*类型的指针，它指向了一个包罗文件形貌符表的file_struct结构体。
  

1. struct task_struct {
2.     ...
3.     files_struct *files;  // 文件描述符表
4.     ...
5. };

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• 文件形貌符表是一个file*类型的指针数组，每个元素都指向一个打开的文件，而文件形貌符就是此数组的下标，所以只要拿到了文件形貌符表，就可以索引到对应的文件。
  

1. struct files_struct {
2.     ...
3.     struct file *fd[FD_SETSIZE];  // 文件描述符数组
4.     ...
5. };

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打开文件本质：在内核中，把文件在磁盘上找到、内容和属性加载，在内存中创建file结构体，属性、方法、缓冲区都初始化，然后把结构体链入到体系管理文件的链表中，而且在指针数组中找到一个数据下标，再把它的地点填充进来，最后把数组下标(fd)返回给上层用户，应用层得到fd值。
a. 把数据写到文件中write：

• 因为write是由进程通过体系调用来实行的，而体系可以或许辨认出是哪个进程在哀求服务，即：OS可以找到进程(task_struct);
  
• 因为write需要访问文件，所以通过fd，直接在数组中举行索引，从而找到文件。再把用户空间中的缓冲区buf中的数据，拷贝到内核空间中的文件结构体对象的缓冲区中，最后让OS把缓冲区的刷新到磁盘文件中。
  

b. 从文件中读取数据read：

• 因为read是由进程通过体系调用来实行的，而体系可以或许辨认出是哪个进程在哀求服务，即：OS可以找到进程(task_struct);
  
• 因为read需要访问文件，所以通过fd，直接在数组中举行索引，从而找到文件。如果文件结构体对象的缓冲区中有内容，就直接读取到用户空间的缓冲区buf中，反之，就让OS把磁盘文件中的数据导入到内存中。
  

c. 关闭文件close：

• 因为close是由进程通过体系调用来实行的，而体系可以或许辨认出是哪个进程在哀求服务，即：OS可以找到进程(task_struct);
  
• 因为close需要访问文件，所以通过fd，直接在数组中举行索引，从而找到文件。OS再将文件结构体对象举行释放。
  

1.3. 统统皆文件的明确

一、文件体系的抽象和VFS

• VFS(Virtual File System)：虚拟文件体系，是Linux内核的一个软件层，它提供了一套同一的接口来访问各种类型的文件体系和硬件设备。
  

这种设计使得用户和应用程序可以或许通过调用雷同的体系调用（如open、write、read等）来操作不同的文件体系，而无需关心底层文件体系的具体实现细节。

• 文件操作结构体file_operations：在linux内核中，每个打开的文件都有一个指向file_operations结构体的指针，它包罗一系列函数指针，即：它定义了文件的各种操作(如：读、写、打开、关闭)，其内包罗的函数指针指向具体的实现方法。
  

不同的文件体系或硬件的驱动程序会提供这些函数的具体实现，但这些函数的参数类、返回值类型、函数名，必须与定义在file_operations结构体中的函数指针相匹配。

1. struct file {
2.     struct inode *f_inode;  // 文件的inode
3.     struct file_operations *f_op;  // 文件操作函数指针
4.     unsigned long f_flags;  // 文件标志
5.     loff_t f_pos;  // 当前文件位置
6.     // 其他信息...
7. };
9. struct file_operations {  //文件操作函数
10.     int (*open)(struct inode *, struct file *);
11.     int (*release)(struct inode *, struct file *);
12.     ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
13.     ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
14.     loff_t (*llseek)(struct file *, loff_t, int);
15.     // 其他操作...
16. };

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• VFS的焦点头脑是通过抽象和封装来屏蔽底层硬件的差异。
  

二、面向对象编程的类比

• 多态性：在面向对象编程中，多态性答应我们使用同一的接口来调用不同的实现。在VFS中，是通过函数指针来实现多态性，不同的文件体系的具体实现方法不同，但上层应用程序只使用同一的函数指针接口。
  
• 封装：VFS屏蔽了文件体系和硬件设备的差异，即：隐蔽了底层的细节；使得上层应用程序可以使用同一的函数指针接口来访问文件。
  

上层代码无需关心底层操作的实现，只需按照同一接口的规范举行操作。

不能从表现器读数据，平常在表现器输入的东西，表现器也表现了，不是通过表现器把数据交给了你的程序，而是从键盘中输入数据，你的程序先从键盘中读到的，为了让用户看到你输入的数据，程序就把数据同步的给表现器拷贝了一份。
1.4. 分配规则

• fd分配规则：最小未被使用的数组下标，会被分配给最新打开的文件。
  

1. #include<stdio.h>
2. #include<sys/types.h>
3. #include<fcntl.h>
4. #include<unistd.h>
5. #include<sys/stat.h>
6. #include<string.h>
7.   
8. int main()
9. {
10.     close(1);//关闭标准输出流
11.     int fd1 =  open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);
12.     printf("fd1: %d\n", fd1); //printf默认向stdin—>fd = 1打印
13.     printf("hello world\n");  //输出重定向：本来应该把内容向显示器文件进行写入，更改为向磁盘文件进行写入
15.     return 0;
16. }

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1. #include<stdio.h>
2. #include<sys/types.h>
3. #include<fcntl.h>
4. #include<unistd.h>
5. #include<sys/stat.h>
6. #include<string.h>
7.   
8. int main()
9. {
10.     close(0);  //关闭标入输出流                                          
11.     int fd2 = open("data.txt", O_RDWR);
12.     printf("fd2: %d\n", fd2);
13.     char buff[64];
14.     fgets(buff, 64, stdin);   //输入重定向：本来应该从键盘文件中读取的内容，更改为从磁盘文件中读取
15.     printf("%s\n", buff);
16.    
17.     return 0;
18. }

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1.5. 重定向的本质

• 重定向的本质：更改文件形貌符表的内容，即：更改文件形貌符(stdin、stdou、stderr)的指向，使得本来要写入到标准输出的数据，被重定向到其他文件、大概本来要从标准输入中读取的数据，重定向到来自于其他文件。
  
  
  
  

1.5.1. dup2

   int dup2（int oldfd，int newfd)；
  

• 功能：将stdin、stdout、stderr重定向到文件或其他设备。
  
• 参数：oldfd：要被复制的文件形貌符；newfd：目标文件的形貌符。
  
• 返回值：成功，返回新的文件形貌符(即：newfd)。堕落时，返回 -1，并设置 errno以指示错误。
  

1. #include<stdio.h>
2. #include<sys/types.h>
3. #include<fcntl.h>
4. #include<unistd.h>
5. #include<sys/stat.h>
7. int main()
8. {
9.     int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);
10.     dup2(fd, 1);
11.     printf("hello zzx\n");
13.     return 0;
14. }

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2. FILE中的缓冲区

2.1. 概念

• 概念：本质是一块内存地区，用于暂时存放数据，以便更高效地处理输入、输出操作。