【linux基础I/O(1)】文件形貌符的本质&重定向的本质

前言

“在Linux系统下，一切皆文件”，相信你也听过这句话,，那么怎样明白这句话呢?学会这篇文字,你就能明白了。
本章重点:
   本篇文章着重讲解I/O的四个系统调用接口, 以及文件形貌符fd的熟悉与fd的本质, 最后讲解应该怎样明白Linux下一切皆文件这一说法.在此之前,会先复习一下C语言的文件相干的库函数。
  1. 明白C语言的文件接口

起首C\C++程序会默认打开stdin,stdout和stderr三个尺度文件方便程序员直接举行读写.
   但是显然有点不对劲, 我们平常使用printf和scanf时是从显示器中显示和从键盘输入, 是不是代表显示器和键盘在OS内部其实也可以看作文件?是的,向显示器打印和向磁盘写入无本质区别!
  C语言打开文件的方式: fopen
C语言的读取: fread, fscanf, fgets
C语言的写入: fwrite, fprintf, fputs
   fopen的返回值和三个尺度文件范例都是FILE*
  2. 利用文件的系统调用接口

每个语言都有一套自己的文件利用函数,但不管上层语言怎样变革,它都是封装了系统调用,所以文件的系统调用很紧张!
一共四个函数:
1.open: 打开文件
2.close: 关闭文件
3.write: 向文件写入
4.read: 从文件中读取
2.1 open函数详解

open函数的解释如下:

   这个flag比力特殊,虽然它是整型,但是内部却当作了位图在使用,即转达过来的选项会被当作位图中的不同位,通过判断某位是否为1来查看是否有这个选项.
  open的选项(实际上是宏界说的整数)

open的用法: 多个选项用或|分割

1. int fd = open("/home/cc/test.txt",O_WRONLY | O_CREAT);

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2.2 close函数详解

close函数很简单,意思就是关闭文件形貌符fd对应的文件, 调用成功返回0.
2.3 write函数详解

write是向文件形貌符fd对应的文件中写入数据, 数据的泉源是buf, 要写入的字节数是count, 调用成功返回写入到文件中的字节数.
write的一般用法:

1. char* buffer = "abcdef";
2. int fd = open("/home/cc/text.txt",O_WRONLY);
3. write(fd,buffer,sizeof(buffer));

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2.4 read函数详解

read是从文件形貌符fd对应的文件中读取数据, 将数据读取到buf中,要读取的长度是count, 调用成功返回读取到的字节数.
read的一般用法:

1. char buffer[1024];
2. int fd = open("/home/cc/text.txt",O_WRONLY);
3. ssize_t n = read(fd,buffer,sizeof(buffer));
4. if(n > 0)
5.         buffer[n] = '\0';//将字符串变成C语言风格,以\0结尾

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3. 文件形貌符fd详解

我们知道文件形貌符是一个整数,那么它是否有什么规律呢?请看下面的代码:

1. int fd1 = open("/home/kwy/text1.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
2. int fd2 = open("/home/kwy/text2.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
3. int fd3 = open("/home/kwy/text3.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
4. int fd4 = open("/home/kwy/text4.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
5. printf("%d, %d, %d, %d",fd1,fd2,fd3,fd4);

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会发现fa1,2,3,4的整数值分别是:
3,4,5,6,这是为什么?必要回答两个问题:
   1. 0号1号和2号形貌符去哪儿了?
2. 文件形貌符的增长规律是什么?
    起首, 在最开始说过C/C++程序会默认打开stdin, stdout, stderr三个尺度文件,所以其实0,1,2号文件形貌符就是这三个尺度文件.
    其次, 0,1,2被使用后, 后面的文件形貌符会从3开始, 依次+1, 一共创建到6号形貌符,若此时将3号文件形貌符关闭,下次打开文件对应的形貌符就是3,而不是7!
  可以使用下面的代码来验证第一个猜想:

1. //向屏幕打印信息
2. const char* str = "abcdef";
3. write(1, str, strlen(str));
4. //从屏幕读取信息
5. char buffer[1024];
6. int n = read(0, buffer, sizeof(buffer));
7. if(n > 0)
8.         buffer[n] = '\0';

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4. 文件形貌符的内核本质

进程想要访问某个文件的条件是打开文件,在利用系统内大概会有很多个打开的文件,OS为了维护这些资源,必要对它举行管理,会为每个打开的文件创建struct file布局体, 再用链表将这些布局体连接起来.

这是文件在OS内部的管理体系,而每个进程都要知道自己打开了哪些文件, 所以进程PCB中会保存一张文件形貌符表(本质是布局体指针),这个表中存放了这个进程打开的所有文件!

   从这个图中可以看见, 文件形貌符的本质其实就是数组的下标,每次打开文件会去数组中扫描,找到近来的没有被使用的下标!
  5. 怎样明白Linux下一切皆文件?

起首,底层不同的硬件如磁盘,显卡,键盘等肯定对应了不同的利用方法,但这些设备的核心功能就是读写,也就是I/O.

利用系统会为每一个底层硬件创建struct file布局体,此布局体中肯定包罗了两个函数指针,分别指向这个硬件对应的读方法和写方法.
   所以当我们使用键盘或打开显示器时，就会有对应的指针指向对应的谁人方法。
所以当我们使用键盘时，0S就会去找到谁人structfile，而且找到里面的方法调用。当我们从 struct file 的角度向上看时，就不用关心底层外设的差异了，利用它们的方法都是:read/write的函数指针，在上层我们看到是所有设备就叫做 一切皆文件!
  6. 明白输出输入重定向

根据上面的推论,如果我先把1号形貌符关闭了,再打开一个文件,它的形貌符就应该是1,此时再举行输出会发现什么?

1. int main()
2. {
3.     close(1);
4.     int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
5.     printf("fd: %d\n",fd);
6.     fprintf(stdout,"hello fprintf,我是一号文件描述符\n");
7.     return 0;
8. }

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   两个现象,第一个确实如刚刚所说的新打开的文件的形貌符就是1,而且此时使用printf输出也不会输出到屏幕使用fprintf向stdout也不会输出到屏幕而是输出到文件log.txt中.说明stdout只认文件形貌符1,不管1此时还是不是尺度输出,printf函数也是如此.
    结论:重定向本质就是在OS内部修改fd对应的内容指向.
  

7. 重定向的系统调用

如果每次写重定向都要先关闭一个文件,再来利用未免有些贫困了,可以直接使用系统调用dup或dup2函数.

   我们一般都使用dup2,它的意思是把原本写入到newfile 文件的内容,重定向到 oldfile 文件中!最终和oldfd形貌符是一样的。比如如今想把本来应该打印在显示器(1号形貌符)的信息打印在log.txt中(3号形貌符),应该如许使用:

1. open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
2. dup2(3,1);

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8. 总结

文件形貌符是学习Linux下I/O的关键,而基础IO的知识将会一直陪伴我们到学习Linux网络和高级IO,把握文件形貌符fd的本质对后续的学习至关紧张!

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