初识Linux · 文件(2)

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前言:

文件描述符fd

默认的三个流

最后总结


前言:

由前文文件(1)的介绍,我们引出了三个问题:

高级语言和系统调用函数之间是否存在关系?

fd返回值的012和C语言打开的三个流是否有什么关系?

不同的宏和不同函数的选项之间是否存在某种关系?

这是我们文件一里面引发的问题,那么在文件(2)里面呢,我们通过对文件深层次的理解,就会知道,以上三个问题的答案了。

那么现在,我们就进入主题吧。


文件描述符fd

我们再看一眼open函数和write函数:

返回值的描述是:返回值新的文件描述符,如果出错了返回的是-1。

那么我们研究的是这个返回值。

首先,我们知道打开文件的是进程,而非我们,那么文件的集中管理,实际上是由进程的task_struct有一个文件指针,struct file_struct* files,指向的一块文件结构体->struct files_struct,对于该结构体而言,管理的是另一个结构体,即由文件组成的结构体,它们之间的连接方式是双向链表的方式。

就像这样,那么file_struct和file,两个结构体之间是如何产生联系的呢?

此时,文件描述符就出场了:

files_struct里面有一块空间,通过下标访问,而下标指向的,就是一个一个的struct file。所以每次拿到了fd之后,就能对文件进行操作。

但是光这样,好像对文件理解并没有加深多少。

我们写的数据在哪里呢?

我们使用函数,里面的数据是放在哪里呢?难道是有了文件描述符fd我们就可以直接对files结构体操作了?不是的,因为文件存储的地方是在磁盘上,而非OS里面,所以我们一定是会和磁盘扯上一定关系的,那么:

在OS里面有一块空间,缓存空间,将数据加载到了缓存里面,此时没有出错,就可以对文件,也就是已经先描述再操作的的文件对象里面,将数据进行写入即可。

那么我们简单总结上面的过程就是:

文件 = 属性 + 内容,我们要修改内容,也就是要和外设打交道,那么需要OS层面管理。为了修改外设的属性,所以需要类似驱动程序操作,此时OS层面的进程,也就是打开文件的软件,加上管理文件的多个结构体,结合文件描述符fd进行操作。

那么系统调用函数open整个过程要干的事就是:

1 创建文件file 2 开辟文件缓冲区 加载文件数据 3 查找对应的文件描述符fd 4 通过file地址将数据移动 5 返回下标。


默认的三个流

文件描述符fd我们已经理解了,根据上文012是默认打开的三个流:0 对应的标准输入,1对应的标准输出,2对应的标准错误,输入比如键盘,输出和错误都是对应的显示器。

那么不同的外设,输入输出都应该有自己的一套体系,或者说有对应的函数,但是函数名往往都是不相同的,在OS层面如何进行集中管理呢?

在OS层面存在一种结构叫做:VFS,即virtual file system。

因为每个file对象,都有一个函数指针,虽然函数名不同,但是可以将函数的参数,返回值等弄的大差不差呗。此时,访问对应的外设,OS层面可以通过VFS层,对不同的外设进行访问。

可是我们说了这么多,如何证明呢?

我们可以用file对象里面的一个变量证明,_fileno,返回值就是对应的文件描述符,而C语言的FILE指针,本质是经过typedef的,封装的是系统里面的file,所以FILE指针直线的对象肯定也是有_fileno的,我们使用如下代码证明:

cpp 复制代码
int main()
{
    FILE* fp = fopen("log.txt","w");
    printf("fp->%d\n",fp->_fileno);

    printf("stdin->%d\n",stdin->_fileno);
    printf("stdout->%d\n",stdout->_fileno);
    printf("stderr->%d\n",stderr->_fileno);

    return 0;
}

此时,证明完毕。


最后总结

由上文可以得出,高级语言想要使用文件描述符fd,一定是会经过封装的,不然对于外设层面是没有办法使用的。

那么,既然显示器也是个文件,我们不妨尝试对显示器这个文件进行写入,前提是我们如何知道显示器的文件在哪里呢?

我们可以进入到根目录的dev,dev代表设备,其中:

dev目录里面的三个流也是间接证明了。

同时,我们进入到pts目录,再开一个终端,就会发现:

也就是说,新开的终端的文件是5号,那么,我们可以:

cpp 复制代码
int main()
{
    int fd = open("/dev/pts/5", O_WRONLY|O_APPEND);
    if(fd < 0) return 1;
    const char *message = "hahaha\n";
    while(1)
    {
        write(fd, message, strlen(message));
        sleep(1);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

此时,就在一直打印了。

所以,高级语言的所有文件操作函数,都是对系统调用的封装!!

那么,我们之后是推荐使用高级语言的函数还是系统调用呢?

当然是高级语言的了,因为系统调用的函数不具有跨平台性!!

文件我们也算是理解了部分了,下文之后,就是应用层面的了,比如重定向,比如语言级别的缓冲区。


感谢阅读!

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