重定向+缓冲区
- 1.重定向
- [2.理解 >， >>， <](#2.理解 >， >>， <)
- 3.如何理解linux下一切皆文件
- 4.缓冲区
- 5.缓冲区该如何理解
- 6.缓冲区和OS的关系
自我名言 ：只有努力，才能追逐梦想，只有努力，才不会欺骗自己。
喜欢的点赞，收藏，关注一下把！
1.重定向
c
1 #include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<sys/types.h>
4 #include<sys/stat.h>
5 #include<fcntl.h>
6 #include<unistd.h>
7 #include<stdlib.h>
8
9 int main()
10 {
11 // close(0);
12 // close(2);
13 close(1);
14 umask(0);
15 int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
16 if(fd == -1)
17 {
18 perror("open");
19 exit(1);
20 }
21 printf("fd:%d\n",fd);
22
23 close(fd);
24
25 return 0;
26 } 
close(1)，为什么没有打印新建文件fd呢？
printf("%d\n",fd); printf会把内容打印到stdout文件中。
但是close(1)关闭标准输出stdout--->显示器，int fd=open()；新打开的文件fd是1。
stdout-->fd-->1，虽然我们手动关闭了stdout，但是系统并不知道，还以为fd为1的位置是stdout，但是这个位置现在已经被新打开的文件占用了，所以打印到了新打开的文件里。
c
1 #include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<sys/types.h>
4 #include<sys/stat.h>
5 #include<fcntl.h>
6 #include<unistd.h>
7 #include<stdlib.h>
8
9 int main()
10 {
11 // close(0);
12 // close(2);
13 close(1);
14 umask(0);
15 int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
16 if(fd == -1)
17 {
18 perror("open");
19 exit(1);
20 }
21 printf("fd:%d\n",fd);
22
23 //这里必须刷新一下，不然log.txt里面没有内容，这里和缓冲区有关，下面讲
24 fflush(stdout);
25 close(fd);
26
27 return 0;
28 } 
本来应该打印到显示器文件中，但是却写到文件里了。------>重定向
1.1重定向本质
1.2重定向接口
这个主要介绍dup2函数。
c
int dup2(int oldfd, int newfd);
那怎么使用dup2来实现刚才的效果，把打印到显示器内容，写入到"log.txt"
是上面那样写的，还是下面那样写的，我们分析分析。
画图分析
因此正确写法如下
c
4 #include<sys/stat.h>
5 #include<fcntl.h>
6 #include<unistd.h>
7 #include<stdlib.h>
8
9 int main()
10 {
11 // close(0);
12 // close(2);
13 // close(1);
14 umask(0);
15 int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
16 if(fd == -1)
17 {
18 perror("open");
19 exit(1);
20 }
21 //重定向
22 dup2(fd,1);
23 printf("fd:%d\n",fd);
24
25 //这里必须刷新一下，不然log.txt里面没有内容
26 fflush(stdout);
27 close(fd);
28
29 return 0;
30 } 
1.3重定向分类
1.3.1>输出重定向
上面内容就是输出重定向，把新打开文件的fd重定向到fd为1（默认为显示器）的位置。
1.3.2>>追加重定向
c
1 #include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<sys/types.h>
4 #include<sys/stat.h>
5 #include<fcntl.h>
6 #include<unistd.h>
7 #include<stdlib.h>
8
9 int main()
10 {
11 // close(0);
12 // close(2);
13 // close(1);
14 umask(0);
15 // int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
16 int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
17 if(fd == -1)
18 {
19 perror("open");
20 exit(1);
21 }
22 //重定向
23 dup2(fd,1);
24 printf("你好\n");
25 printf("吃了吗\n");
26
27 //这里必须刷新一下，不然log.txt里面没有内容
28 fflush(stdout);
29 close(fd);
30
31 return 0;
32 } 
1.3.3<输入重定向
c
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
// close(0);
// close(2);
// close(1);
umask(0);
// int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
// int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
int fd=open("log.txt",O_RDONLY);
if(fd == -1)
{
perror("open");
exit(1);
}
//输入重定向
dup2(fd,0);
char outbuffer[64];
while(1)
{
printf("<");
if(fgets(outbuffer,sizeof(outbuffer),stdin) == NULL) break;
printf("%s",outbuffer);
}
return 0;
} 
2.理解 >， >>， <
在前面实现过一个自己的shell，现在我们给这个shell增加重定向功能来理解重定向。
c
//增加一个分割指令和文件名的函数
commandstrtok(lineCommand);分割的时候，我们需要知道重定向是什么类型，文件是什么名字，因此增加两个全局变量来记录。
c
//重定向类型
//第一个为初始重定向
#define DEFAULT_REDIR 0
#define INPUT_REDIR 1
#define OUTPUT_REDIR 2
#define ERROR_EDIRR 3
//重定向类型+文件名
int redirType=DEFAULT_REDIR;
char* redirFile=NULL; 分割函数
c
//这里找文件名没有写成函数，而写个宏
#define trimSpace(start) do{\
while(isspace(*start)) ++start;\
}while(0)
void commandstrtok(char* cmd)
{
assert(cmd);
char* start=cmd;
char* end=cmd+strlen(cmd);
while(start < end)
{
if(*start == '<')
{
*start=0;
++start;
//这里可能 ls -a -l > log.txt,
trimSpace(start);
redirType=INPUT_REDIR;
redirFile=start;
break;
}
else if(*start == '>')
{
*start=0;
++start;
if(*start == '>')
{
redirType=APPEND_REDIR;
++start;
}
else
{
redirType=OUTPUT_REDIR;
}
trimSpace(start);
redirFile=start;
break;
}
else
{
++start;
}
}因为命令是子进程执行的，真正重定向的功能一定是由子进程来完成的，
但是如何重定向是父进程要告知给子进程的。
c
//创建子进程
pid_t id = fork();
assert(id != -1);
if(id == 0)
{
switch(redirType)
{
case INPUT_REDIR:
{
int fd=open("log.txt",O_RDONLY);
if(fd <0)
{
perror("open");
return 1;
}
//重定向文件已经打开了
dup2(fd,0);
}
break;
case OUTPUT_REDIR:
case APPEND_REDIR:
{
umask(0);
int flags=O_WRONLY|O_CREAT;
if(redirType == OUTPUT_REDIR) flags|=O_CREAT;
else flags|=O_APPEND;
int fd=open("log.txt",flags,0666);
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}
dup2(fd,1);
}
break;
default:
printf("bug?\n");
break;
}
//程序替换
execvp(myargv[0],myargv);
exit(1);
}
问：子进程重定向会影响父进程吗？
不会
问：指向程序替换的时候，会不会影响曾经进程打开的重定向文件呢？
不会
3.如何理解linux下一切皆文件
Linux下一切皆文件，那键盘，显示器，磁盘，网卡等硬件在linux下都是文件吗？
可以这样说的。
站在struct file上层看来，所有的设备和文件，统一都是struct file--------->Linux下一切皆文件。
这里可能有这样一个问题，如果同一个文件被多个指针指向，但是某个进程把这个文件关了，会不会影响其他进程对这个文件的操作呢？
其实并不会，一个被打开的文件有引用计数。
表明有几个指针指向这个文件，这样做是因为一个文件可能被多个指针指向。如果某个进程关闭文件，影响到其他进程，就不能保证进程的独立性。close关闭文件，其实并不是真正关闭文件，只是把引用计数减1，当只有一个指针指向这个文件，close关闭文件才是真正关闭这个文件。
4.缓冲区
先看一种现象。
c
1 #include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<sys/types.h>
4 #include<sys/stat.h>
5 #include<fcntl.h>
6 #include<unistd.h>
7 #include<stdlib.h>
8
9 int main()
10 {
11 printf("hello printf\n");
12 fprintf(stdout,"%s\n","hello fprintf");
13
14
15 const char* output="hello write\n";
16 write(1,output,strlen(output));
17
18
19 return 0;
20 } 
c
1 #include<stdio.h>
2 #include<string.h>
3 #include<sys/types.h>
4 #include<sys/stat.h>
5 #include<fcntl.h>
6 #include<unistd.h>
7 #include<stdlib.h>
8
9 int main()
10 {
11 printf("hello printf\n");
12 fprintf(stdout,"%s\n","hello fprintf");
13
14
15 const char* output="hello write\n";
16 write(1,output,strlen(output));
17
18 fork();
19 return 0;
20 } 
对比两张图片，第二段代码补充fork（创建子进程），重定向之后，C接口的函数，被打印了两次，系统调用的接口前面都只是打印了一次。
这是什么原因？现在只是知道肯定是fork函数有关。
其实这里也和缓冲区有关。
4.1理解缓冲区问题
缓冲区本质就是一段内存！！！
4.1.1为什么要有缓冲区
这里讲一个小故事，帮助理解。
在四川的张三要给远在北京的李四送一个键盘。
张三为了节省时间，选择2；
现实中快递行业的意义？
节省发送者的时间。
进程把数据打包给磁盘，是一个很慢的过程，如果让进程一直等着显然不太好。因此我们也需要一个快速的方式----->缓冲区
缓冲区的意义是什么呢？
节省进程进行数据IO的时间。
但是我们在用文件写的接口时，并没有专门拷贝数据啊？（以fwrite为例）
其实与其理解fwrite是写入到文件的函数，倒不如理解fwrie是拷贝函数，将数据从进程拷贝到"缓冲区"或者"外设"中。
4.1.2缓冲区刷新策略的问题
把东西给顺丰之后，那顺丰什么时候发货呢？
张三第二天在想寄一个鼠标给李四，当走到快递站点发现自己昨天的快递还没有发走，就问快递人员，快递人员说，我们的快递都是用大货车和飞机发送的，就这一个快递不可能马上就发走，等到满足发送件货才发。
缓冲区的刷新策略：
不同外设IO访问速度是不同的。
缓冲区结合具体的设备，定制自己的刷新策略。（3策略，2特殊）
3策略
a.立即刷新 ----> 无缓冲
b.行刷新 ----> 行缓存 ----> 显示器 （显示器是给人看的，如果一次给很多信息，人看着不舒服）
c.缓冲区满 ----> 全缓存 ----> 磁盘文件（显示器除外）
2特例
1：用户强制刷新 （fflush）
2：进程退出 （进程退出要刷新缓冲区）
4.1.3缓冲区在哪里，指的是什么缓冲区
C接口打印了两次，系统调用接口打印了一次，这种现象一定和缓冲区有关。
虽然现在不知道缓冲区在哪里，但是我们知道缓冲区一定不在内核中 。
因为C接口底层调用的是系统调用接口，如果缓冲区在内核中，write也应该打印两次。
那缓冲区到底在哪？
我们之前谈论的所有缓冲区，都指的是用户级语言层面给我们提供的缓冲区 。
还记得C程序默认给我们打开stdin，stdout，stderr都是------->FILE*------>指向FILE结构体，结构体包含-------> fd，其实还包含一个缓冲区。
因此，缓冲区在FILE结构体中。
所以当我们自己要强制刷新：fflush（文件指针），关闭：fclose（文件指针）传的都是FILE*。因为缓存区在FILE结构体中。
4.1.4如何解释fork问题
代码结束之前，创建子进程。
1.我们没有进行>输出重定向，看到了三条信息。
stdout默认使用的是行刷新，在fork之前，两条C函数已经将数据打印输出到到显示器上，你的FILE内部，进程内部不存在对应的数据了。这时创建子进程，等到子进程，父进程退出的时，都要刷新缓冲区，但是这时缓冲区已经没有内容可以刷新了。因此C函数打印两条信息。
2.>输入重定向之后，C接口打印两次
当我们进行>，写入文件就不再是显示器，而是普通文件，采用的刷新策略是全缓存，之前2条C打印函数，虽然带了\n，但是不足与将stdout缓冲区写满，数据并没有被刷新。
fork的时候，stdout属于父进程，创建子进程紧跟着就是进程退出，谁先退出，一定要进行缓冲区刷新（缓存区刷新---->就是修改）
这时就有了写时拷贝！！ 因此C接口，数据最终会显示两份。
3.write为什么前后只打印一次
上面过程都是write无关，write没有FILE，而用的是fd，就没有C提供的缓冲区。
5.缓冲区该如何理解
自己写一个简易的缓冲区，来帮助理解"数据刷新策略"+"数据如何缓存"
5.1myStdio.h
c
1 #pragma once
2 #include<errno.h>
3 #include<stdio.h>
4 #include<string.h>
5 #include<sys/types.h>
6 #include<sys/stat.h>
7 #include<fcntl.h>
8 #include<unistd.h>
9 #include<stdlib.h>
10
11 #define SIZE 1024
12 #define SYNC_NOW 1
13 #define SYNC_LINE 2
14 #define SYNC_FULL 3
15
16 typedef struct _FILE{
17 int flags;//刷新方式
18 int fileno; //文件描述符
19 int capacity;//buffer容量
20 int size;//buffer当前使用量
21 char buffer[SIZE]; //缓冲区
22 }_FILE;
23
24
25 _FILE* _fopen(const char* path_name,const char* mode);
26 void _fwrite(const void* ptr,int num,_FILE* fp);
27 void _fclose(_FILE* fp);
28 void _fflush(_FILE* fp); 5.2myStdio.c
5.2.1_fopen
c
_FILE* _fopen(const char* path_name,const char* mode)
{
assert(path_name);
int flags=0;
int defaultmode=0666;
if(strcmp(mode,"r") == 0)
{
flags|=O_RDONLY;
}
else if(strcmp(mode,"w") == 0)
{
flags|=(O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC);
}
else if(strcmp(mode,"a") == 0)
{
flags|=(O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND);
}
int fd=0;
if(flags & O_RDONLY)
{
fd=open(path_name,flags);
}
else
{
fd=open(path_name,flags,defaultmode);
}
if(fd < 0)
{
const char*err=strerror(errno);
write(2,err,strlen(err));
return NULL;//这就是为什么创建文件失败，返回NULL
}
_FILE* fp=(_FILE*)malloc(sizeof(_FILE));
assert(fp);
fp->flags=SYNC_LINE;
fp->fileno=fd;
fp->capacity=SIZE;
fp->size=0;
memset(fp->buffer,0,SIZE);
return fp;
}5.2.2_fwrite
c
void _fwrite(const void* ptr,int num,_FILE* fp)
{
//写到缓冲区里
memcpy(fp->buffer+fp->size,ptr,num); //这里没有考虑缓冲区溢出问题
fp->size+=num;
//判断是否要刷新
if(fp->flags & SYNC_NOW)
{
write(fp->fileno,fp->buffer,fp->size);
fp->size=0;//清空缓冲区
}
else if(fp->flags & SYNC_LINE)
{
if(fp->buffer[fp->size-1] == '\n') //这里也没有考虑abc\ndef这种形式，如果是这样的可以用for循环
{
write(fp->fileno,fp->buffer,fp->size);
fp->size=0;
}
}
else if(fp->flags & SYNC_FULL)
{
if(fp->size == fp->capacity)
{
write(fp->fileno,fp->buffer,fp->size);
fp->size=0;
}
}
} 5.2.3_fflush
c
void _fflush(_FILE* fp)
{
if(fp->size > 0) write(fp->fileno,fp->buffer,fp->size);
fsync(fp->fileno); //把数据强制从内核缓冲区刷新到磁盘
fp->size=0;
} 这里引入了内核缓冲区，下面解释。
5.2.4_fclose
c
void _fclose(_FILE* fp)
{
_fflush(fp);
close(fp->fileno);
} 5.3main.c
行刷新
c
1 #include"myStdio.h"
2
3
4 int main()
5 {
6 _FILE* fp=_fopen("log.txt","w");
7 if(fp == NULL)
8 {
9 perror("_fopen");
10 return 1;
11 }
12
13 int cnt=10;
14 const char* msg="hello linux\n";
15 while(1)
16 {
17 _fwrite(msg,strlen(msg),fp);
18 sleep(1);
19 printf("count:%d\n",cnt--);
20 if(cnt == 0) break;
21 }
22 _fclose(fp);
23
24 return 0;
25 }
退出刷新
c
1 #include"myStdio.h"
2
3
4 int main()
5 {
6 _FILE* fp=_fopen("log.txt","w");
7 if(fp == NULL)
8 {
9 perror("_fopen");
10 return 1;
11 }
12
13 int cnt=10;
14 const char* msg="hello linux";
15 while(1)
16 {
17 _fwrite(msg,strlen(msg),fp);
18 sleep(1);
19 printf("count:%d\n",cnt--);
20 if(cnt == 0) break;
21 }
22 _fclose(fp);
23
24 return 0;
25 } 
立即刷新
c
1 #include"myStdio.h"
2
3
4 int main()
5 {
6 _FILE* fp=_fopen("log.txt","w");
7 if(fp == NULL)
8 {
9 perror("_fopen");
10 return 1;
11 }
12
13 int cnt=10;
14 const char* msg="hello linux";
15 while(1)
16 {
17 _fwrite(msg,strlen(msg),fp);
18 _fflush(fp);
19 sleep(1);
20 printf("count:%d\n",cnt--);
21 if(cnt == 0) break;
22 }
23 _fclose(fp);
24
25 return 0;
26 } 
6.缓冲区和OS的关系
这里是由write函数，直接把数据写到磁盘上的文件中吗？
其实并不是这样的。
write并不是直接把缓冲区里的内容刷新到文件中，在打开文件对应的struct file{}结构体中其他有一个方法指针，还有一个指向内核缓冲区的指针，系统会把FILE结构体里面缓冲区内容通过struct file{}找到内核缓冲区，再由write()拷贝 到内核缓冲区，然后再由这个内核缓冲区把内容刷新到文件中区，至于如何刷新和用户毫无关系，我们所知道的行刷新等，这是由语言层面所分类的，而内核缓冲区刷新由OS自主决定。
那么我们该如何证明有这个内核缓冲区呢？
超级大佬可以证明，这里证明不了，但是我们可以看到接口。
还有一个问题，如果OS突然宕机了会发生什么情况？
数据肯定会丢失。如果还是按照OS规定的内核缓冲区刷新策略肯定是不行的。
我们希望可以在用户层就告知OS，内核缓冲区不要再给我缓存了，赶紧把数据刷新到磁盘中。
这里介绍fsync函数
强制性把该文件对应的内核缓冲区数据持久到磁盘。就是OS不要给我缓存了，赶紧把数据给我更新到磁盘上。