一、C文件接口

stdin & stdout & stderr

C默認會打開三個輸入輸出流，分別是stdin, stdout, stderr

仔細觀察發(fā)現(xiàn)，這三個流的類型都是FILE*, fopen返回值類型，文件指針

• fwrite向指定文件寫入內(nèi)容
• fread從指定文件讀取內(nèi)容

fprintf根據(jù)指定的format(格式)發(fā)送信息(參數(shù))到由stream(流)指定的文件，fprintf可以使得信息寫入到指定的文件

調(diào)用C文件接口，以w的形式打開，若文件不存在，會在當前目錄下新建文件，當前路徑就是進程的當前路徑cwd，如果改變了進程的cwd就可以在其他目錄下新建文件

w寫入前都會對文件進行清空，a在文件結(jié)尾追加寫，兩者都是寫入

C默認打開的三個輸入輸出流不是C語言的特性，而是操作系統(tǒng)的特性，進程會默認打開鍵盤，顯示器，顯示器

二、系統(tǒng)文件I/O

2.1認識系統(tǒng)文件I/O

• 文件其實是在磁盤上的，磁盤是外設(shè)，對文件進行訪問，就是對硬件進行訪問
• 任何用戶都不能直接訪問硬件的數(shù)據(jù) ，而必須通過系統(tǒng)調(diào)用
• 幾乎所有的庫只要是訪問硬件設(shè)備，必須封裝系統(tǒng)調(diào)用
• C文件接口就是一種庫函數(shù)，是對系統(tǒng)調(diào)用的封裝

2.2系統(tǒng)文件I/O

open( )

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

• pathname: 要打開或創(chuàng)建的目標文件
• flags: 打開文件時，可以傳入多個參數(shù)選項，用下面的一個或者多個常量進行 “ 或 ” 運算，構(gòu)成 flags

參數(shù) :

• O_RDONLY: 只讀打開
• O_WRONLY: 只寫打開
• O_RDWR : 讀寫打開
• O_CREAT : 若文件不存在，則創(chuàng)建它，需要使用 mode（例0666） 選項，來指明新文件的訪問權(quán)限
• O_APPEND: 追加寫
• O_TRUNC: 每一次寫入都清空文件

返回值：

• 成功：新打開的文件描述符
• 失?。?1

代碼示例：

umask( )可以用來設(shè)置掩碼的值

比特方位式的標志位傳遞方式通過位運算來實現(xiàn)

2.3系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)

上面的 fopen fclose fread fwrite 都是C標準庫當中的函數(shù)，我們稱之為庫函數(shù)（libc）

open close read write lseek 都屬于系統(tǒng)提供的接口，稱之為系統(tǒng)調(diào)用接口

可以認為，f#系列的函數(shù)，都是對系統(tǒng)調(diào)用的封裝，方便二次開發(fā)。

2.4open( )的返回值--文件描述符

Linux進程默認情況下會有3個缺省打開的文件描述符，分別是標準輸入0， 標準輸出1， 標準錯誤2

0，1，2對應(yīng)的物理設(shè)備一般是：鍵盤，顯示器，顯示器

linux下文件描述符的分配規(guī)則：從0下標開始，尋找最小沒有被使用過的數(shù)組位置，它的下標就是新文件的文件描述符--結(jié)合訪問文件的本質(zhì)來說明

代碼示例：

• 因為C庫函數(shù)是對系統(tǒng)接口的封裝，系統(tǒng)接口下只認識文件描述符，所以C庫自己提供的FILE結(jié)構(gòu)體中必定也包含著文件描述符，用_fileno記錄

如果關(guān)閉了1號文件，printf就無法向1號文件（顯示器）寫入了 ，但可以向3號文件寫入，所以我們打印就只能看到n的值

2.5訪問文件的本質(zhì)

任何一個被打開的文件在內(nèi)存中都要被管理起來，操作系統(tǒng)如果管理被打開的文件？----先描述再組織

當我們打開文件時，操作系統(tǒng)在內(nèi)存中要創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述目標文件--file結(jié)構(gòu)體（直接或間接包含如下屬性：文件的基本屬性，文件的內(nèi)核緩沖區(qū)信息，引用計數(shù)，struct file*next，在磁盤的什么位置），表示一個已經(jīng)打開的文件對象而進程執(zhí)行open系統(tǒng)調(diào)用，所以必須讓進程和文件關(guān)聯(lián)起來，每個進程都有一個指針*files, 指向一張表files_struct，該表最重要的部分就是包涵一個指針數(shù)組，每個元素都是一個指向打開文件的指針！

所以，本質(zhì)上，文件描述符就是該數(shù)組的下標，只要拿著文件描述符，就可以找到對應(yīng)的文件

• 當一個進程open()一個文件時，操作系統(tǒng)會在struct_file的指針數(shù)組中從下標為0的地方在開始尋找一個沒有被使用過的數(shù)組位置，填入要打開文件的struct file*，再將數(shù)組下標返回給open( )調(diào)用，作為該文件的文件描述符fd
• 當一個進程要向某個文件寫入的時候，操作系統(tǒng)只認識文件描述符，根據(jù)文件描述符找到對應(yīng)的數(shù)組下標，根據(jù)數(shù)組下標位置里的內(nèi)容找到所對應(yīng)的文件再寫入
• close關(guān)閉文件本質(zhì)上是清空對應(yīng)fd數(shù)組下標位置的內(nèi)容，再將該fd內(nèi)容指向的文件的引用計數(shù)--，引用計數(shù)為0才釋放銷毀相應(yīng)的struct_ file

三、文件重定向

3.1認識文件重定向

關(guān)閉1號文件再打開新文件 ，向1號文件寫入內(nèi)容

可以看到，原來要向1號文件（顯示屏）打印的信息，被寫入到了新打開的文件，其中，fd＝1。這種現(xiàn)象叫做輸出重定向

常見的重定向有：>輸出重定向， >>追加重定向， <輸入重定向

追加重定向

輸入重定向

3.2文件重定向的本質(zhì)

• 文件重定向的本質(zhì)：將1號文件描述符在指針數(shù)組中對應(yīng)位置的內(nèi)容，用log.txt文件描述符在指針數(shù)組中對應(yīng)位置的內(nèi)容進行覆蓋，原本數(shù)組內(nèi)的指向1號文件的文件指針就被替換成log.txt的文件指針，當我們再向1號文件描述符寫入內(nèi)容的時候，就是向文件指針指向的log.txt內(nèi)寫入而不再寫到標準輸出
• dup2系統(tǒng)調(diào)用
• 原本向顯示屏打印的內(nèi)容被寫入到log.txt文件中

3.3在shell中添加重定向功能

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<assert.h>
#include<ctype.h>
#include<fcntl.h>

#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGV_SIZE 32

#define NONE -1
#define IN_RDIR     0
#define OUT_RDIR    1
#define APPEND_RDIR 2

extern char** environ;
char commandline[LINE_SIZE];
char* argv[ARGV_SIZE];
char pwd[LINE_SIZE];
char myenv[LINE_SIZE];

int lastcode=0;
int quit=0;

char *rdirfilename = NULL;
int rdir = NONE;

const char* getuser()
{
    return getenv("USER");
}

const char* gethostname()
{
    return getenv("HOSTNAME");
}

void getpwd()
{
    getcwd(pwd,sizeof(pwd));
}

void check_redir(char *cmd)
{

    // ls -al -n
    // ls -al -n >/</>> filename.txt
    char *pos = cmd;
    while(*pos)
    {
        if(*pos == '>')
        {
            if(*(pos+1) == '>'){
                *pos++ = '\0';
                *pos++ = '\0';
                while(isspace(*pos)) pos++;
                rdirfilename = pos;
                rdir=APPEND_RDIR;
                break;
            }
            else{
                *pos = '\0';
                pos++;
                while(isspace(*pos)) pos++;
                rdirfilename = pos;
                rdir=OUT_RDIR;
                break;
            }
        }
        else if(*pos == '<')
        {
            *pos = '\0'; // ls -a -l -n < filename.txt
            pos++;
            while(isspace(*pos)) pos++;
            rdirfilename = pos;
            rdir=IN_RDIR;
            break;
        }
        else{
            //do nothing
        }
        pos++;
    }
}

void interact(char* cline,int size)
{
    getpwd();
    printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ",getuser(),gethostname(),pwd);
    char* s=fgets(cline,size,stdin);
    assert(s);
    (void)s;
    cline[strlen(cline)-1]='\0';

    //printf("echo : %s",cline);
    //ls -a -l > myfile.txt
    check_redir(cline);
}

int splitstring(char cline[],char* _argv[])
{
    int i=0;
    _argv[i++]=strtok(cline,DELIM);
    while(_argv[i++]=strtok(NULL,DELIM));

    return i-1;
}

void normalexcute(char* _argv[])
{
    pid_t id=fork();
    if(id<0)
    {
        perror("fork");
        //continue;
        return ;
    }
    else if(id==0)
    {

        int fd = 0;

        // 后面我們做了重定向的工作，后面我們在進行程序替換的時候，難道不影響嗎？？？
        if(rdir == IN_RDIR)
        {
            fd = open(rdirfilename, O_RDONLY);
            dup2(fd, 0);
        }
        else if(rdir == OUT_RDIR)
        {
            fd = open(rdirfilename, O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, 0666);
            dup2(fd, 1);
        }
        else if(rdir == APPEND_RDIR)
        {
            fd = open(rdirfilename, O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND, 0666);
            dup2(fd, 1);
        }
        //子進程執(zhí)行指令
        //execvpe(argv[0],argv,environ);
        execvp(argv[0],argv);
    }
    else{
        int status=0;
        pid_t rid=waitpid(id,&status,0);
        if(rid==id)
        {
            lastcode=WEXITSTATUS(status);
        }
    }
}

int buildcommand(char* _argv[],int _argc)
{
    if(_argc==2&&strcmp(_argv[0],"cd")==0)
    {
        chdir(_argv[1]);
        getpwd();
        sprintf(getenv("PWD"),"%s",pwd);
        return 1;
    }
    else if(_argc==2&&strcmp(_argv[0],"export")==0)
    {
        strcpy(myenv,_argv[1]);
        putenv(myenv);
        return 1;
    }
    else if(_argc==2&&strcmp(_argv[0],"echo")==0)
    {
        if(strcmp(_argv[1],"$?")==0)
        {
            printf("%d\n",lastcode);
            lastcode=0;
        }
        else if(*_argv[1]=='$')
        {
            char* s=getenv(_argv[1]+1);
            if(s) printf("%s\n",s);
        }
        else{
            printf("%s\n",_argv[1]);
        }

        return 1;

    }

    //特殊處理ls
    if(_argc==2&&strcmp(_argv[0],"ls")==0)
    {
        _argv[_argc++]="--color";
        _argv[_argc]=NULL;
    }

    return 0;

}

int main()
{
    while(!quit)
    {
        //交互問題，獲得命令行參數(shù)
        interact(commandline,sizeof commandline);

        //字符串分割，解析命令行參數(shù)
        int argc = splitstring(commandline,argv);
        if(argc==0) continue;

        //指令的判斷
        int n=buildcommand(argv,argc);        

        //普通指令的執(zhí)行
        if(!n)normalexcute(argv);
    }
        return 0;
}

• 進程歷史打開的文件以及文件的重定向關(guān)系，并不會被程序替換所影響??！進程程序替換之后影響頁表右邊的物理地址所指向的內(nèi)容，虛擬地址并左邊的部分并不會受到影響
• 程序替換并不會影響文件訪問

3.4stdout和stderr

• stdout和stderr對應(yīng)的硬件設(shè)備都是顯示屏，訪問的都是同一個文件（引用計數(shù)）
• 在重定向的時候，默認只對stdout的fd進行重定向

代碼示例：

如果對1號和2號文件都要進行重定向呢？

示例：./mytest 1> log.txt 2>err.txt

示例：./mytest > log.txt 2>&1

3.5如何理解“linux下一切皆文件” --以對外設(shè)的IO操作為例

• 不同的外設(shè)在進行IO操作時都有自己對應(yīng)的讀寫方法，放在struct device里
• 這些讀寫方法如何被找到？--由struct operation_func來對讀寫方法進行管理，該結(jié)構(gòu)體里存在指向?qū)?yīng)讀寫法的函數(shù)指針
• 如何找到struct operation_func？--由struct file來對struct operation_func進行管理，file結(jié)構(gòu)體存在指向struct operation_func的指針，基于struct file之上的被稱為虛擬文件系統(tǒng)（VFS）--一切皆文件
• 當我們打開一個文件的時候，通過進程的pcb數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)找到struct struct_file，操作系統(tǒng)根據(jù)文件描述符的分配規(guī)則，在struct struct_file的指針數(shù)組中為該文件分配一個fd；當我們要訪問一個外設(shè)的時候，根據(jù)該外設(shè)文件fd對應(yīng)的數(shù)組下標內(nèi)容找到該外設(shè)文件的struct file，根據(jù)file結(jié)構(gòu)體找到對應(yīng)的struct operation_func，由于訪問的外設(shè)的不同，在struct operation_func中根據(jù)函數(shù)指針找到對應(yīng)的讀寫方法，就可以對外設(shè)進行訪問了

四、文件緩沖區(qū)

4.1認識FILE

因為IO相關(guān)函數(shù)與系統(tǒng)調(diào)用接口對應(yīng)，并且?guī)旌瘮?shù)封裝系統(tǒng)調(diào)用，所以本質(zhì)上，訪問文件都是通過fd訪問的

所以C庫當中的FILE結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，必定封裝了fd

4.2文件緩沖區(qū)引入

• 對比有無fork( )的代碼

我們發(fā)現(xiàn) printf 和 fwrite （庫函數(shù)）都輸出了 2 次，而 write 只輸出了一次（系統(tǒng)調(diào)用），為什么呢？肯定和 fork有關(guān)！

再來驗證一個現(xiàn)象：

不加'\n'并且在最后close（1）

代碼運行的結(jié)果是：只有系統(tǒng)調(diào)用接口寫入的內(nèi)容被打印出來了

加上'\n'，結(jié)果又不一樣了

4.3文件緩沖區(qū)的原理

C語言會提供一個緩沖區(qū)，我們調(diào)用C文件接口寫入的數(shù)據(jù)會被暫存在這個緩沖區(qū)內(nèi)，緩沖區(qū)的刷新方式有三種：

1. 無緩沖：直接刷新，一般我們使用的fflush( )就是無緩沖的刷新方式
2. 行緩沖：遇到'\n'才刷新，一般對應(yīng)顯示器
3. 全緩沖：緩沖區(qū)滿了才刷新，一般對應(yīng)普通文件的寫入
4. 特殊說明：進程結(jié)束的時候會自動刷新緩沖區(qū)

在操作系統(tǒng)的內(nèi)核中也存在一個內(nèi)核級別的緩沖區(qū)，目前認為，只要將數(shù)據(jù)刷新到了內(nèi)核，數(shù)據(jù)就可以到硬件了，內(nèi)核緩沖區(qū)也有自己的刷新方式

為什么要有C層面的緩沖區(qū)？

1. 用戶不需要一步一步將數(shù)據(jù)寫入到硬件中，而是可以直接調(diào)用C庫為我們提供的讀寫方法，將數(shù)據(jù)交給庫函數(shù)來處理，解決用戶的效率問題
2. 我們真正存到文件里的都是一個個的字符，調(diào)用C庫的讀寫方法，可以在放入緩沖區(qū)之前將我們的數(shù)據(jù)格式化成字符串，再刷新到內(nèi)核中進而寫入文件，C層面的緩沖區(qū)可以配合格式化的工作

C為我們提供的緩沖區(qū)在FILE結(jié)構(gòu)體里，F(xiàn)ILE里面有相關(guān)緩沖區(qū)的字段和維護信息，F(xiàn)ILE屬于用戶層面，而不屬于操作系統(tǒng)

文件寫入的過程：

1. 首先，在文件寫入之前，進程會打開一個文件，通過對各種內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問和操作，獲得該文件的文件描述符
2. 如果使用系統(tǒng)調(diào)用接口來對文件進行寫入，數(shù)據(jù)直接通過write和fd寫入對應(yīng)的內(nèi)核級別緩沖區(qū)，默認最后都會刷新到硬件中
3. 如果使用fwrite等庫函數(shù)來對文件進行寫入，首先，在語言層面會malloc出一個FILE結(jié)構(gòu)體，F(xiàn)ILE里面有對應(yīng)的緩沖區(qū)信息以及文件的fd，然后內(nèi)容會先被暫存在C層面的緩沖區(qū)，如果是無緩沖，數(shù)據(jù)直接被刷新到內(nèi)核中，如果是行緩沖，遇到'\n'就會被刷新到內(nèi)核中，如果是全緩沖，等緩沖區(qū)滿了就被刷新到內(nèi)核中
4. 由于庫函數(shù)是對系統(tǒng)調(diào)用接口的封裝，用戶通過write和fd將數(shù)據(jù)刷新到對應(yīng)的文件的內(nèi)核緩沖區(qū)內(nèi)，再由該內(nèi)核緩沖區(qū)刷新到外設(shè)

4.4解釋現(xiàn)象

為什么不加'\n'并且close(1)的時候，使用庫函數(shù)寫入的內(nèi)容不會被顯示？

不加'\n'，調(diào)用庫函數(shù)寫入的數(shù)據(jù)都會被暫存在C層面的緩沖區(qū)

close(1)后，即使進程退出后緩沖區(qū)會自動刷新，但是此時已經(jīng)找不到1號文件的fd了，緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)也無法被寫入到內(nèi)核中，最后也不會顯示到顯示器上

加了'\n'即使最后close(1)，遇到'\n'緩沖區(qū)就會立馬將數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)核中，就會顯示到顯示器上

為什么fork()之后重定向C接口會被調(diào)用兩次？

1. 重定向后，緩沖區(qū)的刷新方式會從行緩沖變成全緩沖，也就說，數(shù)據(jù)要么等到緩沖區(qū)滿了再被刷新，要么等待進程結(jié)束后再刷新，所以我們放在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，就不會被立即刷新，甚至fork之后
2. fork( ）之后，創(chuàng)建子進程，子進程會繼承父進程的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象的內(nèi)容，父子進程在一開始的時候數(shù)據(jù)和代碼是共享的，緩沖區(qū)也屬于數(shù)據(jù)
3. 進程退出后，要對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一刷新，刷新就是對數(shù)據(jù)進行訪問寫入，此時父子數(shù)據(jù)會發(fā)生寫時拷貝，所以當父進程準備刷新的時候，子進程也就有了同樣的一份數(shù)據(jù)，隨即產(chǎn)生兩份數(shù)據(jù)
4. 由于write沒有所謂的緩沖區(qū)，write()寫入的數(shù)據(jù)直接在內(nèi)核中，所以write( )的數(shù)據(jù)只有一份

總結(jié)

printf fwrite 庫函數(shù)會自帶緩沖區(qū)，而 write 系統(tǒng)調(diào)用沒有帶緩沖區(qū)。這里所說的緩沖區(qū)， 都是用戶級緩沖區(qū)。其實為了提升整機性能，OS也會提供相關(guān)內(nèi)核級緩沖區(qū)

那這個用戶級緩沖區(qū)誰提供呢？ printf fwrite 是庫函數(shù)， write 是系統(tǒng)調(diào)用，庫函數(shù)在系統(tǒng)調(diào)用的“上層”， 是對系統(tǒng) 調(diào)用的“封裝”，但是 write 沒有緩沖區(qū)，而 printf fwrite 有，說明該緩沖區(qū)是二次加上的，由C標準庫提供

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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