【Linux】基础IO----系统文件IO & 文件描述符fd & 重定向（上） https://developer.aliyun.com/article/1565663
💫 write & read
采用 man write 指令查看相关资料
#include <unistd.h> ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); 参数： buf: 用户缓冲区 count: 期望写的字节数 返回值：实际写入的字节数
举个栗子：
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <string.h> int main() { int fd = open("./log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0644); if(fd < 0) { printf("open error\n"); return 1; } const char* msg = "more then words\n"; int cnt = 5; while(cnt--) { write(fd,msg,strlen(msg)); } close(fd); return 0; }
运行结果：
问题拓展：
注意小细节，写入文件的过程中，不需要写入\0！因为\0是C语言层面上规定字符串的结束标志，而写入文件关心的是字符串的内容，不需要\0标定字符串结束。
采用 man read 指令查看相关资料
#include <unistd.h> ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); 参数： buf: 读到的内容放在用户层缓冲区中，也就是自己定义缓冲区 count: 期望读多少个字节 返回值：实际读多少个字节
举个栗子：
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <string.h> int main() { int fd = open("./log.txt",O_RDONLY); if(fd < 0) { printf("open"); return 1; } char buffer[1024]; ssize_t s = read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1); if(s > 0) { buffer[s] = 0; printf("%s",buffer); } close(fd); return 0; }
运行结果：
问题拓展：
我们把读到的内容当做一个长字符串处理，写入时不写\0，读也就不会读到，因此需要在末尾添加\0，以字符串打印出来。
🌙 文件描述符fd
问题提出：
open函数的返回值是所谓的文件描述符，既然类型为int，我就好奇它的值是多少呢？
再次分析：
如果我们连续打开若干文件，会发现打印3456… 我们知道打开文件失败返回-1，那么012去哪了呢？012消失的原因，要么是不让用，要么是被别人占用。
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <string.h> int main() { int fd1 = open("./log1.txt",O_WRONLY | O_CREAT, 0644); int fd2 = open("./log2.txt",O_WRONLY | O_CREAT, 0644); int fd3 = open("./log3.txt",O_WRONLY | O_CREAT, 0644); int fd4 = open("./log4.txt",O_WRONLY | O_CREAT, 0644); printf("fd:%d\n",fd1); printf("fd:%d\n",fd2); printf("fd:%d\n",fd3); printf("fd:%d\n",fd4); close(fd1); close(fd2); close(fd3); close(fd4); return 0; }
总结分析：
事实上，当我们的程序运行起来变成进程，默认情况下，OS会帮助我们打开三个标准输入输出，012其实分别对应的就是标准输入、标准输出、标准错误。刚刚我们还提到语言上的stdin标准输入、stdout标准输出、stderr标准错误，对应硬件设备也是键盘、显示器、显示器，冥冥之中，这一定是有关联的，不过我们暂时先不考虑语言和系统上如何对应。
这样文件描述符被分配为01234678… 这样从0开始，连续的小整数，会让我们联想到数组下标！
验证：012代表标准输入、标准输出、标准错误
💫 file descriptor
文字描述：
众所周知，所有的文件操作都是进程执行对应的函数，即本质上是进程对文件的操作。
- 如果一个文件没有被打开，这个文件是在磁盘上。如果我创建一个空文件，该文件也是要占用磁盘空间的，因为文件的属性早就存在了(包括名称、时间、类型、大小、权限、用户名所属组等等)，属性也是数据，所谓“空文件”是指文件内容为空。
即磁盘文件 = 文件内容 + 文件属性。事实上，我们之前所学的所有文件操作都可以分为两类：对文件内容的操作 + 对文件属性的操作(fseek、ftell、rewind、chmod、chgrp等等).
- 要操作文件，必须打开文件(C语言fopen、C++打开流、系统上open)，本质上，就是文件相关的属性信息从磁盘加载到内存。
操作系统中存在大量进程，进程可以打开多个文件，即进程 : 文件 = 1 : n ，系统中可能存在着更多的打开的文件(暂时不考虑一个文件被多个进程打开的特殊情况)。那么，OS要不要把打开的文件在内存中(系统中)管理起来呢？那么就要上管理的六字真言：先描述，再组织！
- 打开的这么多文件，怎么知道哪些是我们进程的呢？操作系统为了让进程和文件之间产生关联，进程在内核创建struct files_struct 的结构，这个结构包含了一个数组 struct file* fd_array[] ，也就是一个指针数组，把表述文件的结构体地址填入到特定下标中。
图解：
分析：
那么现在就能解释了为什么打开文件返回的是3：新打开一个文件本质是内核会为我们描述struct file结构，再把struct file地址填入到fd_array[]数组下标去，因为012已经被占用了，于是填到3号下标，因此在上层可以拿到3.
这也解释了为什么write和read这样的系统调用接口为什么一定要传入文件描述符fd：执行系统调用接口是进程执行的，通过进程PCB，找到自己打开的文件列表，通过fd索引数组找到对应的文件，从而对文件进行操作。
总结：
文件描述符fd，本质是内核中进程和打开文件关联的数组下标
💫 理解一切皆文件
对于键盘显示器等等这些外设，一定都有比如像read、write读写方法，因为由冯诺依曼体系结构知，外设是要和内存打交道IO的。这可能有些奇怪，比如键盘能读我知道，但能写吗？难道我键盘安安静静的自己就开始动了？！注意，我们有统一的读写方法，但不代表非要每一个都实现，比如键盘就可以没有写方法，即方法为空。
因为它们的硬件结构不同，这些方法在底层实现是完全不一样的！这些方法都是在硬件的驱动层完成的。那又是如何做到一切皆文件的呢？Linux中做了软件的虚拟层vfs(虚拟文件系统)，会统一维护每一个打开文件的结构体struct file.
回忆C++中的多态，我们可以编写一个父类(甚至是纯虚的，相当于定义一个接口类)，子类继承父类，重写函数。我们让父类指针指向不同的子类对象，就会调用对应的方法。那么在C语言中，可以通过函数指针，做到调用同一个方法，指向不同对象时可以执行不同的方法，从而实现多态的性质。
我们在每个struct file当中包含上一大坨的函数指针，这样，在struct file上层看来所有的文件都是调用统一的接口；在底层我们通过函数指针指向不同硬件的方法。
同样在继承体系中，我甚至也不关心你到底是那个子类，比如，动物基类Animal被猫狗鸡鸭鹅都继承了，里面有一个eat方法，基类指针指向猫就调用猫的eat，基类指针指向狗就调用狗的eat… 这样看去我们就实现了“一切皆动物”，可以理解为C++的多态是漫长的软件开发摸索中实现**“一切皆…”**的高级版本/语言版本。
💫 文件描述符的分配规则
代码分析：
.
问题分析：
我把0关掉后，再打开文件是分配的文件描述符就是0，把1关掉分配的就是1
文件描述符的分配规则：
每次给新文件分配的fd，是从fd_array[]中找一个最小的、未被使用的作为新的fd.这其实很好理解，打开的文件要和进程产生关联，就要线性遍历数组中找一个未被使用的下标，填入文件地址。
🌙 重定向
💫 输出重定向
问题抛出：
有没有细心的同学，上面我们唯独没有关闭1，我们现在上手试一下。按照文件描述符的规则，再打开就是打印我们刚刚关闭的1
问题分析：
本来应该显示到显示器中，却被打印到文件内部，这种行为我们早就知道叫做输出重定向。咱们无意之间居然完成了一次重定向操作，为什么是这样呢？
这是因为：我们以上来就close（1）, 断开了和显示器文件的关系，相当于置NULL，对于新打开的log.txt，根据文件分配规则，1是指向log.txt的。
图解：
思考：
printf底层是在做什么？事实上，它本质是向标准输出(stdout)打印 ——
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...); stdout -> FIEL{fileno = 1} -> log.txt// stdout只认识1，只对1输入输出
这就是重定向的本质：在OS内部，更改fd对应的内容的指向！！
💫 追加重定向
追加重定向与输出重定向唯一的差别就是在打开方式上，增加O_APPEND选项。
💫 输入重定向
输入重定向就是把本来应该从键盘获取内容变成从文件中获取。
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream); //详见1.1节
💫 dup2
分析：
如上我通过关闭文件然后再打开文件这样重定向，但是情况不会总是这样理想。
比如两个文件描述符13都已经被打开，如何实现重定向呢？我们勇敢的推测，既然在语言层调用时接口函数只认1，那么只需要把文件描述符表的3中的内容拷贝到1中 ，就实现了原本应向显示器文件写入，而现在向log.txt写入。
图解：
总结：
dup2就是用来做这个操作的。
#include <unistd.h> int dup2(int oldfd, int newfd); //oldfd->newfd dup2() makes newfd be the copy of oldfd, closing newfd first if necessary, but note the following: * If oldfd is not a valid file descriptor, then the call fails, and newfd is not closed. * If oldfd is a valid file descriptor, and newfd has the same value as oldfd, then dup2() does nothing, and returns newfd.
拷贝的是fd对应内容，最终相当于全部变成old.
🌙 Linux一切皆文件
在冯诺依曼体系中，我们知道硬件有键盘、显示器、磁盘、网卡等外设，在IO过程中，外设任何的数据处理都需要把数据读到内存，处理完毕之后将内存中的数据刷新到外设当中。因为软硬件资源多，所以操作系统需要对其先描述，在组织。所以这些外设都有对应的结构体，对应着属性信息，同时，对应着自己的IO函数，具体硬件的读写方法都在应用匹配的驱动程序里。每种硬件的访问方法都是不一样的，而Linux一切皆文件是这样体现的：任何一个被打开的文件结构体对象struct file{ //各种文件的属性 }对象，不同的文件对应的读写方法不一样，struct file对象里面可以有很多的（*readp）()、(*writep)()函数指针，通过函数指针指向具体的读写方法。
站在struct file上层看来，所有的设备和文件，统一都是struct file->，就可以调用具体的设备方法了，所以在用户级看到的就是Linux下一切皆文件！
**上层调用不同的文件，底层可以调用不同的方法，在上层看来，只需要使用对应统一的文件，使用struct file，访问不同的文件，这是C语言实现多态的特征。这里struct file称为在操作系统层面上虚拟出来的文件对象vfs（虚拟文件系统）**不用关心底层差别，统一使用文件的接口方式进行文件操作
🌟结束语
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