【Linux 系统】理解Linux下一切皆文件

文章目录

前言
理解
总结

前言

在C语言中，我们都知道一个进程会默认为我们打开三个文件：一个是标准输入流、一个是标准输出流、一个是标准错误流。他们分别指向是：键盘、显示器。这个时候就有疑问了？为什么我们能通过对FILE*的操作转化为对硬件设备操作呢？

学习 Linux 文件系统的时候，听过很多的一句话就是Linux 下一切皆文件。很多初学者对于这句话很难理解：硬件设备是如何被操作系统管理起来的呢？

接下来，小编会和大家浅浅谈谈这个话题：Linux 下一切皆文件。我们将从硬件出发来理解这句话。

理解

小编的理解思路是：从下层向上层去找。

第一层

首先硬件设备都是外设 ，操作系统（这里指 Linux）是软硬件的管理者。而操作系统管理的方式就是："先描述，再组织 "。所以在 Linux 内核中一定会为硬件设备创建对应的 struct device 这样的结构体来描述一个硬件设备。

c 复制代码

struct device
{
	//硬件设备的属性
};

对于每一个硬件设备，都具有不同的读写方法 。例如：键盘设备只有读方法没有写方法、显示器设备只有写方法没有读方法......每一种硬件设备的方法都是大相径庭的。在描述硬件设备中的 struct device 中或许就有使用硬件设备的方法。指向方法的代码。

第二层

关键：虽然每种方法的实现是不一致的，但是我们不可否定的是：每种设备的方法属性可是一致的 。所以，上层我们就可以提供函数指针 来封装下层的各种调用方法了。在 Linux 内核中会有许多的方法 （来自硬件、网络......），Linux 的做法是将这些方法都描述起来：struct operation_func 其中封装了各种的函数指针。用于指向各种设备的方法。

c 复制代码

struct operation_func
{
//泛型（不一定是这样实现了）
//  对应方法还是要看源码
	int (*write)(void);
	int (*read)(void);
	// ......其它属性的读方法
};

这样的函数指针指向下层的各种设备的方法。问题是上层如何区分应该调用哪个方法呢？判断属性即可，我们可以设置属性字段......方式让上层正确调用。

第三层

再往上层就是我们的文件管理 了。内核中，为每一个打开的文件都创建了一个 struct file 结构体来描述打开的文件。所以，为了得到对应写文件的方法，必然：struct file 必须有一个字段，能够找到对应的方法。这个字段就是：struct operation_func *op 一个指针，就能执行对应的方法描述结构体了。

c 复制代码

stuct file
{
	struct operation_func* op;
}

最后，就是同层的调用 了。进程 struct task_struct中的一个字段指向struct file_struct。其中的struct file* arr[]指向描述的文件 struct file。

总结

从上层来看，我们只需要使用系统调用read/write类似的方法就可以向键盘读取/显示器写入。或许read函数是像类似下面的样子进行封装的：

c 复制代码

ssize_t read(int fd/*...*/)
{
	task->files->arr[fd]->op->read();
}

实际上的设计不可能像小编说的这样简单，只会更加复杂。各种判断......这里小编只是帮助大家理解！！！

于是：上层对于同一种方法的调用形成了不同的效果 。这就是C语言实现的多态！！！

如下图：

上面C语言实现多态的前提就是：不同的方法属性是相同的。那么我们就可以用同一类型的指针进行调用。对上层来看就是：调用同一种方法调用执行了不同的结果。

我们再来看开始的那一个问题：键盘和显示器是如何做到的呢？实际上也是这样的逻辑。FILE 中封装了文件描述符 fd（Linux下）（C语言的使用者是0感知的）。下层通过第二层，实现了各种同属性方法的统一封装 ，上层在调用的时候就忽略了这种方法实现的差异。read/write方法就可以对键盘和显示器使用了。

Linux 内核扮演了一个"万能翻译官"的角色。它向上（对应用程序）提供了一套统一的文件操作 API。当应用程序调用 read(fd, ...) 时，内核会根据文件描述符 fd 所代表的实际资源（是硬盘？是键盘？还是网络套接字？），去调用相应的底层驱动程序（硬盘驱动、键盘驱动、网络协议栈）来完成真正的读操作，然后将结果返回给应用程序。

最后在这里提醒各位：这些理解都是小编个人理解。如果有不正确欢迎大家指出。小编会谦虚学习！！！