十大必做调查网站,浏览器游戏网址,网站托管公司,网站建设推广优化公司今天#xff0c;我们接着在上一篇文章的基础上#xff0c;继续学习基础IO。观看本文章之前#xff0c;建议先看#xff1a;Linux基础IO【I】#xff0c;那#xff0c;我们就开始吧#xff01; 一.文件描述符
1.重新理解文件 文件操作的本质#xff1a;进程和被打开文件…今天我们接着在上一篇文章的基础上继续学习基础IO。观看本文章之前建议先看Linux基础IO【I】那我们就开始吧 一.文件描述符
1.重新理解文件 文件操作的本质进程和被打开文件之间的关系。
1.推论
我们先用一段代码和一个现象来引出我们今天要讨论的问题
上码
#include stdio.h
#include sys/types.h
#include sys/stat.h
#include fcntl.h
#include assert.h
#include string.h
#include unistd.h
//我没有指明具体的路径采用了字符串拼接的方式。
#define FILE_NAME(number) log.txt #numberint main()
{umask(0);int fd1 open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd2 open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd3 open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd4 open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd5 open(FILE_NAME(5), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);printf(fd1:%d\n, fd1);printf(fd2:%d\n, fd2);printf(fd3:%d\n, fd3);printf(fd4:%d\n, fd4);printf(fd5:%d\n, fd5);close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);close(fd5);
} 看到输出的结果各位大佬想到了什么我想到了数组的下标。也许这和数组有这千丝万缕的关系但我们都只是猜测接下来就证明我们的猜测。
首先我们可以利用现在掌握的知识推导出这样一条逻辑链
进程可以打开多个文件吗可以而且我们刚刚已经证实了。所以系统中一定会存在大量的被打开的文件。所以操作系统要不要把这些被打开的文件给管理起来要。所以如何管理先描述再组织。操作系统为了管理这些文件一定会在内核中创建相应的数据结构来表示文件。这个数据结构就是struct_file结构体。里面包含了我们所需的大量的属性。
我们回到刚刚代码的运行结果上来 为什么从3开始0,12分别表示的是什么 其实系统为一个处于运行态的进程默认打开了3个文件3个标准输入输出流
stdin(标准输入流 对应的是键盘。stdout(标准输出流 对应的是显示器。stderr(标准错误流) 对应的是显示器。 上面我们提及的struct_file结构体在内核中的数据如下
/** Open file table structure*/
struct files_struct {/** read mostly part*/atomic_t count;bool resize_in_progress;wait_queue_head_t resize_wait;struct fdtable __rcu *fdt;struct fdtable fdtab;/** written part on a separate cache line in SMP*/spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;unsigned int next_fd;unsigned long close_on_exec_init[1];unsigned long open_fds_init[1];unsigned long full_fds_bits_init[1];struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
};struct file {union {struct llist_node fu_llist;struct rcu_head fu_rcuhead;} f_u;struct path f_path;struct inode *f_inode; /* cached value */const struct file_operations *f_op;spinlock_t f_lock;enum rw_hint f_write_hint;atomic_long_t f_count;unsigned int f_flags;fmode_t f_mode;struct mutex f_pos_lock;loff_t f_pos;struct fown_struct f_owner;const struct cred *f_cred;struct file_ra_state f_ra;u64 f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITYvoid *f_security;
#endif/* needed for tty driver, and maybe others */void *private_data;#ifdef CONFIG_EPOLLstruct list_head f_ep_links;struct list_head f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */struct address_space *f_mapping;errseq_t f_wb_err;
} 2.证明 大家有没有好奇过为什么我们C库函数fopen的返回值类型是FILE*FILE是什么当时老师肯定没给我们讲清楚因为当时我们的知识储备不够。但现在我们有必要知道FILE其实就是一个结构体类型。
//stdio.h
typedef struct _iobuf
{char* _ptr; //文件输入的下一个位置int _cnt; //当前缓冲区的相对位置char* _base; //文件初始位置int _flag; //文件标志int _file; //文件有效性int _charbuf; //缓冲区是否可读取int _bufsiz; //缓冲区字节数char* _tmpfname; //临时文件名
} FILE;这3个标准输入输出流既然是文件操作系统必定为其在系统中创建一个对应的struct file结构体。
为了证明我们的判断我们可以调用struct file内部的一个变量。
操作系统底层底层是用文件描述符来标识一个文件的。纵所周知C文件操作函数是对系统接口的封装。所以FILE结构体中一定隐藏着一个字段来储存文件描述符。而且stdinstdoutstderr都是FILE*类型的变量 所以
#include stdio.h
#include sys/types.h
#include sys/stat.h
#include fcntl.h
#include assert.h
#include string.h
#include unistd.h
// 我没有指明具体的路径采用了字符串拼接的方式。
#define FILE_NAME(number) log.txt #numberint main()
{printf(stdin:%d\n, stdin-_fileno);//调用struct file内部的一个变量printf(stdout:%d\n, stdout-_fileno);printf(stderr:%d\n, stderr-_fileno);umask(0);int fd1 open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd2 open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd3 open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd4 open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd5 open(FILE_NAME(5), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);printf(fd1:%d\n, fd1);printf(fd2:%d\n, fd2);printf(fd3:%d\n, fd3);printf(fd4:%d\n, fd4);printf(fd5:%d\n, fd5);close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);close(fd5);
} 来啦终于来啦终于证明我们的推断。
2.理解文件描述符
进程中打开的文件都有一个唯一的文件描述符用来标识这个文件进而对文件进行相关操作。其实我们之前就接触到了文件描述符我们简单回忆一下
调用open函数的返回值就是一个文件描述符。只不过我们打开的文件的文件描述符默认是从3开始的0.1.2是系统自动为进程打开的。调用close传入的参数。调用writeread函数的第一个参数。
可见文件描述符对我们进行文件操作有多么重要。文件描述符就像一个人身份证在一个进程中具有唯一性。 文件描述符fd的取值范围文件描述符的取值范围通常是从0到系统定义的最大文件描述符值。
当Linux新建一个进程时会自动创建3个文件描述符0、1和2分别对应标准输入、标准输出和错误输出。C库中与文件描述符对应的是文件指针与文件描述符0、1和2类似我们可以直接使用文件指针stdin、stdout和stderr。意味着stdin、stdout和stderr是“自动打开”的文件指针。
在Linux系统中文件描述符0、1和2分别有以下含义
文件描述符0STDIN_FILENO它是标准输入文件描述符通常与进程的标准输入流stdin相关联。它用于接收来自用户或其他进程的输入数据。默认情况下它通常与终端或控制台的键盘输入相关联。文件描述符1STDOUT_FILENO它是标准输出文件描述符通常与进程的标准输出流stdout相关联。它用于向终端或控制台输出数据例如程序的正常输出、结果和信息。文件描述符2STDERR_FILENO它是标准错误文件描述符通常与进程的标准错误流stderr相关联。它用于输出错误消息、警告和异常信息到终端或控制台。与标准输出不同标准错误通常用于输出与程序执行相关的错误和调试信息。
这些文件描述符是在进程创建时自动打开的并且可以在程序运行期间使用。它们是程序与用户、终端和操作系统之间进行输入和输出交互的重要通道。通过合理地使用这些文件描述符程序可以接收输入、输出结果并提供错误和调试信息以实现与用户的交互和数据处理。
1.文件描述符的分配规则 文件描述符的分配规则为从0开始查找使用最小的且没有占用的文件描述符。 所以我们是否可是手动的关闭系统为我们自动带的3个文件呢so try 先试着关闭一下0号文件描述符对应的标准输入流
#include stdio.h
#include sys/types.h
#include sys/stat.h
#include fcntl.h
#include assert.h
#include string.h
#include unistd.h
// 我没有指明具体的路径采用了字符串拼接的方式。
#define FILE_NAME(number) log.txt #numberint main()
{close(0);umask(0);int fd1 open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd2 open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd3 open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd4 open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd5 open(FILE_NAME(5), O_WRONLY | O_CREAT, 0666);printf(fd1:%d\n, fd1);printf(fd2:%d\n, fd2);printf(fd3:%d\n, fd3);printf(fd4:%d\n, fd4);printf(fd5:%d\n, fd5);close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);close(fd5);
}
结果我们自己打开的文件就把0号文件描述符给占用了。接着我们试试关闭之后写入受什么影响。
没关闭之前
#includestdio.h
#includeunistd.h
#includestring.h
int main()
{//close(0);char buffer[1024];memset(buffer,0,sizeof(buffer));scanf(%s,buffer);printf(%s\n,buffer);
} 关闭后
#includestdio.h
#includeunistd.h
#includestring.h
int main()
{close(0);char buffer[1024];memset(buffer,0,sizeof(buffer));scanf(%s,buffer);printf(%s\n,buffer);
} 我们发现scanf函数直接无法使用输入功能无法使用。原因是什么 这是因为我们将0号文件描述符关闭后0号文件描述符就不指向标准输入流了。但是当使用输入函数输入时他们仍然会向0号中输入但0号已经不指向输入流了所以就无法完成输入。 大家也可以自行将1号文件描述符和2号文件描述符试着关闭一下观察一下关闭前后有什么不同之处。
3.如何理解文件操作的本质 我们说文件操作的本质是进程和被打开文件之间的关系。对这句话我们应该如何理解呢文件描述符为什么就是数组的下标呢?如何理解键盘显示器也是文件 如上图
进程想要打开位于磁盘上的my.txt文件文件加载到内存之后操作系统为了管理该文件为其创建了一个struct file结构体来保存该文件的属性信息。此时内存中已经存在系统默认打开的标准输入流标准输出流标准错误流对应的struct file结构体。但是系统中有很多进程一定会有大量被打开的文件进程如何分清个哪文件属于该进程呢我们知道task_struct结构体保存着关于该进程的所有属性。其中有一个struct file_struct*类型的指针files指向一个struct file_struct 类型的结构体该结构体中存在着一个struct file*类型的数组数组的元素为struct file*类型。正好存放指向我们为每一个文件创建的struct file结构体的指针。所以根据这个数组我们就会很顺利的找到每一个文件的struct file结构体。进而找到每一个属于该进程的文件然后对文件进行相关操作。由于数组的下标具有很好的唯一性所以系统就向上层返回存放文件的struct file结构体指针的元素下标供上层函数利用这个下标对文件进行操作。 通过这段文字相信大家已经对我们刚刚提出的几个问题已经有了答案
4.输入重定向和输出重定向
1.原理 重定向的原理就是上层调用的fd不变在内核中更改fd对应的struct file*地址。 如下图 我们调用了close(1)关闭了输出文件流。然后打开了myfile文件根据文件描述符的分配规则从0开始查找最小且没有被占用的充当自己的文件描述符。myfile的文件描述符。但是上层并不知道输入文件流对应的文件描述符已经发生改变所以当调用printf函数时仍然向1号文件描述符中输出。但是1号描述符对应的地址已发生改变变为myfile所以本想使用printf往显示器中输入的东西就会输入到myfile文件中。这就是输出重定向。
输入重定向和输出重定向原理是一样的只不过输入重定向关闭的是输入流输出重定向关闭的是输出文件流。 我们调用了close(0)关闭了输入文件流。然后打开了myfile文件根据文件描述符的分配规则从0开始查找最小且没有被占用的充当自己的文件描述符。myfile的文件描述符。但是上层并不知道输入文件流对应的文件描述符已经发生改变所以当调用printf函数时仍然向0号文件描述符中输出。但是0号描述符对应的地址已发生改变变为myfile所以就会输入到myfile文件中。这就是输出重定向。
