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前言

• 本篇针对的是对打开文件的描写

文件基础常识

1. 文件=文件内容+文件属性

文件内容：就是我们可以看到的文本内容

文件属性：文件的读写，运行权限，创建者，日志信息等

1. 无论文件内容还是文件属性都是一种数据，在磁盘上都要占据内存

文件操作

1. 文件操作=文件内容操作+文件属性的操作

文件内存操作：对文本内容进行修改等操作

文件属性操作：对文件属性的权限，日志信息等的操作

1. 被打开的文件称为内存文件，未打开的称为磁盘文件

打开文件

1. 打开文件：是将文件的内容和文件属性加载到内存。由冯诺依曼体系结构决定，cpu直接和内存进行交互。
2. 打开文件是根据当前的需要打开某些文件，并不是打开所有文件
3. 打开一个文件时就会创建一个文件结构体。

FILE结构体

struct _IO_FILE {
int _flags; /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags
//缓冲区相关
/* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
/* Note: Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
char* _IO_read_ptr; /* Current read pointer */
char* _IO_read_end; /* End of get area. */
char* _IO_read_base; /* Start of putback+get area. */
char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
最后修改时间
char* _IO_write_ptr; /* Current put pointer. */
char* _IO_write_end; /* End of put area. */
char* _IO_buf_base; /* Start of reserve area. */
char* _IO_buf_end; /* End of reserve area. */
/* The following fields are used to support backing up and undo. */
char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
char *_IO_backup_base; /* Pointer to first valid character of backup area */
char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */
struct _IO_marker *_markers;
struct _IO_FILE *_chain;
int _fileno; //封装的文件描述符
#if 0
int _blksize;
#else
int _flags2;
#endif
_IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small. */
#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
/* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */
unsigned short _cur_column;
signed char _vtable_offset;
char _shortbuf[1];
/* char* _save_gptr; char* _save_egptr; */
_IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

creat

创建文件,并给予初始权限，用8进制码表示，要考虑权限掩码

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int creat(const char *pathname, mode_t mode);

open

打开文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

参数名	作用	注意点
pathname	打开的文件名+路径	路径有相对和绝对路径
mode	初始权限码；	最终权限=初始权限&（~权限掩码）
flags	打开文件的方式
返回值	文件描述符	成功返回fd，失败返回-1

write

从一个buf，向fd写入count个字节

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

返回代表实际读取的字符个数

read

向fd中读取cont字节到buf中

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

进程和文件

1. 文件是存放在磁盘，向文件写入的内容，最终会写入到磁盘里面，而只有OS可以操作磁盘，因此在语言层面上我们通过函数接口生成进程后，进程会通过相应的系统接口，让OS与磁盘进行交互。
2. 文件的操作最终是进程对文件的操作
3. 任何对硬件的操作都要贯穿OS

路径

当前路径指工作路径

相对路径：相比于当前路径的位置：./xx

绝对路径是从根到当前位置的路径

修改路径

chdir：可以修改当前进程的工作路径

cat模拟

封装接口

1. 原生系统接口，使用成本非常高
2. 直接使用单一系统接口语言，跨平台（window，linux，macos）服务不行。
3. c语言解决跨平台问题：条件编译+穷举所有的底层接口

默认流

OS管理文件

1. OS要想管理一个对象，必然要先描述这个对象也就是生成特定的内核数据结构体。因此OS管理文件就要先描述文件之后再组织文件。
2. 通过文件结构体描述文件，通过链表链接结构体，最终对文件的管理变成了对链表的增删查改。

文件描述符-fd

1. 加载到内存中的文件，为了方便标识与管理，OS使用文件描述符fd进行标识内存文件
2. 文件结构体中的 pf->_fileno
3. 在进程中，通过一个指针数组和文件链表建立映射关系
4. 对于指针数组的前3个元素默认是：标准输入，输出，错误流
5. 当建立新的映射关系时，OS会遍历这个数组，将文件结构体地址存放在第一个为NULL数组元素，并返回数组下标，这也就是文件描述符为什么是一个整型。
6. 当链表删除节点时，对于指针数组，其直接在对应下标赋值为NULL。

c语言实现面向对象类

C语言的结构体中，一般我们只考虑成员变量，但是当我们引入函数指针时，这个结构体就可以模拟类

而一旦我们引入了函数指针，那么我们就可以通过这个指针指向任意的符号要求的函数。

而我们我们外设也就是硬件，它们的读写技术肯定是不一样的，但是如果相同的接口，在函数体中的是读写逻辑，那么我们就可以实现一个函数指针指向多个外设。---这就是C++多态的前身。

linux下一切皆文件

对于硬件层，os总是将其看作文件，对于不同的硬件，只需要提供其特殊的文件读写方式，就可以实现以统一的视角处理硬件层。这称为虚拟文件系统

背景

1. 对于不同的外设，他们的读写方式必然不相同，但是函数指针的泛型，这就可以通过同一个文件结构体，描述不同的外设。同时对于OS来说，它通过文件描述符就可以访问不同的外设，即OS以统一的视角管理不同的外设。
2. 将外设抽象为一个文件结构体，对这个结构体进行管理和驱动层就可以映射到外设硬件身上。
3. 我们称这种管理逻辑系统为虚拟文件系统（VFS）

重定向

1. 重定向的本质是对文件描述符指针数组中元素的替换，以完成内存中数据的流出与流入方向的改变。
2. 文件描述符的指针数组的前3个元素是默认的文件：标准输入流（0），标准输出流(1),标准错误流（2）.
3. 重定向后，会改变缓存区的刷新策略

输出重定向

OS总是将fd=0,1,2的文件，认为是标准输入流，标准输出流，标准错误流文件，因此如果我们将fa=1指向的文件改为其它文件，就可以完成输出重定向。

追加重定向

在打开文件时，通过添加O_APPEND即可完成追加重定向。

输入重定向

将fd=0的指向文件修改就可以完成输入重定向

dup

 #include <unistd.h>
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);
#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
#include <fcntl.h>              /* Obtain O_* constant definitions */
#include <unistd.h>
int dup3(int oldfd, int newfd, int flags);

1. 文件结构体的销毁使用的是“引用计数”方式，销毁也是进程消失后OS进行的销毁
2. 我们通过关闭fd为012的指针数组，利用文件描述符的匹配规则，就可以完成重定向操作，但是这很麻烦，可以通过一个系统接口函数dep相关接口，进行操作
3. 主使用dup2

dup2

 int dup2(int oldfd, int newfd);
 //dup2() makes newfd be the copy of oldfd, closing newfd first if necessary, but note the following:

1. dup2的修改逻辑是将oldfd拷贝到newfd,与正常逻辑相反
2. 因此如果想完成重定向，需要fd(x,0/1/2);

标准输出和标准错误的区别

1. 2者都会打开屏幕这个标准输出文件，但是2者的文件描述符是不一样的
2. 可以通过 2>&1 ,将标准错误重定向到一个文件中

缓冲区

1. 设置缓冲区存在目的：减少IO操作，提高整体的效能

2. 我们所说的缓冲区指的是语言级别的缓冲区、

   1. 因为和输出相关的函数(printf,fprintf....)都会调用系统接口write，但是write是不受刷新策略的影响，所以这个缓冲区和OS是无关的，一定是在输出函数内部,也就是和语言强相关。这也就是为什么有些时候数据没有成功从缓冲区中刷新出来的原因。
   2. 这其实是文件结构体中的一个类似容器的成员。

3. 当进程退出的时候，会刷新FILE内部的数据到OS中。

   

4. 如果在刷新缓冲区前，我们关闭了输出文件，那么数据是无法刷新到OS的，也就是无法保存到文件中

子进程与缓冲区

进程替换与缓冲区

进程替换替换的是代码和数据，因此原来进程所创建的内核数据结构是不变的：文件描述符指针数组也不变。即如果新的程序需要打开文件，会在原有的内核数据结构上补充内容。