Linux_文件系统（内存角度）

文件描述符

什么是文件描述符

在C语言中，有一些对文件操作的函数，如：

• 打开一个文件–> fopen()
• 关闭一个文件–>fclose()
• 对文件进行写入–>fwrite()
• 对文件进行读取–>fread()
• ……

具体这些函数的使用，可以通过这篇文章回顾一下–>C语言文件操作函数

总体看，这套文件操作的使用逻辑就是：打开一个文件，对文件进行操作，关闭这个文件；

为了让操作的时候能找到这个文件，C语言提供了一个FILE*的结构体指针，里面存着可以找到文件的成员变量，打开文件的同时返回这样一个指针，之后的对FILE* 的操作即使对文件的操作。

int main()
{
    FILE* fp = fopen("test.txt", ...);
    fwrite(fp, ...);
    fread(fp, ...);
    fclose(fp);
}

我们知道，当调用C语言函数对文件进行写入的时候，最终一定是向磁盘中写入

然而只有操作系统有资格向硬件进行写入

也就是说，C语言函数底层一定调用了操作系统提供的系统调用接口（函数）

这套系统接口对文件的操作方法无非也只是打开、访问、关闭

那就一定也要有一个可以代表这个文件、找到这个文件的变量

我们就称这个变量为文件描述符

文件描述符的使用

要了解文件描述符，我们就先看看它怎么用，

那就不可避免的要看一些文件操作的系统调用：

open()

相当于C语言的fopen()，open()这个系统调用也用于打开一个文件

可以看到上面有两个两个同名的open()函数，我们可以把它看作是C语言的一种函数重载

两者唯一的区别就是传或不传mode

其中第一个参数filename就是文件的路径，与fopen()一致，我们重点分析后两个和它的返回值——文件描述符

参数—flags

通过这个参数传入文件的打开方式

如下三个必选一个

宏	含义
O_RDONLY	只读
O_WRONLY	只写
O_RDWR	读/写

下面这些可以添加0个或多个

宏	含义
O_CREAT	如果文件不存在就创建之
O_TRUNC	打开一个文件时，先将其已有内容清空
O_APPEND	对文件追加 （如果不是追加模式，默认的读写指针会指向头，也就是会从头进行覆盖式写入 如果使用了追加模式，文件的读写指针会指向文件的末尾，就会追加写入）

这些宏以位图的模式传入，

我们知道，一个int有32位，其中每一位都可以作为一个bool值表示有或无

所以，我们将这些某些位定义为宏，如:把O_WRONLY 设置为0001_（2）

当函数内通过位操作检测到flag的这一位为1，则进行只读的处理

所以，我们就可以把多个宏按位或到一起，如：O_WRONLY | O_CREAT，表示用只读的方式创建一个文件。

参数—mode

我们尝试用O_WRONLY | O_CREAT创建一个文件：

#include 
#include 
#include 
int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
  return 0;
}

可以看到，创建好的文件的权限是杂乱无章的（其实就是一串乱码）

这是因为函数open在创建文件的时候，一定要设置文件的权限属性

这里的属性就是通过第三个参数mode传入的，传入一个三位的八进制数，具体原则可以看Linux_文件权限–>修改文件权限–>方法二

#include 
#include 
#include 
#include
int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);
  return 0;
}

(这里0666 的第一个0仅表示这是一个C语言的8进制数字，实际有意义的仅仅是后三位666)

此时创建的文件正常了许多，但是依然不能与666完全对应，上面的是664

这其实是因为这里创建的文件也会收掩码——umask的影响

因为我们当前系统的掩码是0002，所以其他用户的w权限被去掉了

（具体掩码的知识可以看 Linux_文件权限–>权限掩码—umask）

所以我们需要暂时把掩码设置为0

umask(0)即可将掩码设置为0；

#include 
#include 
#include 
#include
int main()
{
  umask(0);
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);
  return 0;
}

此时新建文件的权限就是我们所期望的666了

返回值

这里的返回值是一个整型，我们称之为文件描述符，它是对打开文件的一个标识；

后面可以通过这个整数对当前open打开的文件进行读写访问或者关闭

close()

关闭一个文件

传入open返回的整型即可关闭那个文件

write()

对文件进行写入

参数—fd

第一个参数传入代表文件的文件描述符，即之前open的返回值，且必须是用写入方式打开的文件（O_WRONLY或O_RDWR）

参数—buf、count

要写入空间的首地址（可以是任何类型：char*，int*，自定义类型指针……）和要写入的大小（以字节为单位）

#include 
#include 
#include 
#include
#include
#include
int main()
{
  umask(0);
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);
  printf("fd: %d\n",fd);
  const char* str = "hello world\n";
  int cnt = 3;
  while(cnt--)
  {
    write(fd,str,strlen(str));
  }
  close(fd);
  return 0;
}

返回值

返回写入的字节数，这里的ssize_t类型相当于signed int

read()

从文件中读取内容

参数fd

用于读取的文件的文件描述符

这个文件打开的时候一定要有读取权限（O_RDONLY或O_RDWR）

参数buf&&count

从文件中读count个字节读到buf中，如果count大于文件的大小，仅读完文件

返回值

返回读到的字节数；没有读到返回0；发生错误返回-1

C库函数和系统调用的联系

1. 毋庸置疑，C库函数底层调用了系统调用

2. 函数接口是对应的：

   • fopen–>open
   • fwrite–>write
   • ……

3. 数据类型对应：

   FILE* fp–>int fd

实际上FILE结构体中用来标定文件的成员变量就是文件描述符，

int main()
{
    int fd1 = open("file1.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd2 = open("file2.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd3 = open("file3.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd4 = open("file4.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd5 = open("file5.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    printf("%d-%d-%d-%d-%d\n", fd1, fd2, fd3, fd4, fd5);
    return 0;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    FILE *fp1 = fopen("file1.txt", "w");
    FILE *fp2 = fopen("file2.txt", "w");
    FILE *fp3 = fopen("file3.txt", "w");
    FILE *fp4 = fopen("file4.txt", "w");
    FILE *fp5 = fopen("file5.txt", "w");
    printf("%d-%d-%d-%d-%d\n", fp1->_fileno, fp2->_fileno, fp3->_fileno, fp4->_fileno, fp5->_fileno);
    return 0;
}

运行这两段代码，可以发现结果相同，

所以可以证明，FILE中的_fileno成员变量存的就是系统调用的fd

自动打开的文件

从上面的案例，我们还发现两个现象：

• 这里的文件描述符是非常有规律的2，3，4……像极了数组的下标
• 如果是数组的下标，那0、1、2三个值去哪了

实际上0，1，2描述符对应的文件确实存在，它们分别是：

• 0–>输入流（键盘设备）
• 1–>输出流（屏幕设备）
• 2–>错误流（屏幕设备）

（由于Linux一切皆文件的理念，我们先把这些设备看作是文件，至于它是如何实现让设备和磁盘中的文件能同等看待的，后面会讲到）

C程序会默认打开这三个文件，我们编写代码打开的文件，自然也就会排在在这三个文件之后了。

文件描述符的底层原理

我们知道，一个进程可以打开多个文件

那么我们就要对这些文件进行管理

管理就是先描述，再组织

• 描述–>定义一个结构体

  struct file
  {
      //包含了我们想看到的大部分文件内容
      struct file* next;//指向后一个结构体
  }
  

• 组织–>将这些结构体用某种数据结构串联起来

  

  （虽然内核中实际用的不是链表，我们就先用一张链表代表它被组织起来了）

对被打开文件的管理，就转化成了对链表的增删查改

所有的进程打开的文件都会串联到如上这张链表中，那么每个进程又如何与自己的文件结构体建立映射关系呢？

实际上，每个进程的进程控制块上都有一个数组指针，数组里存了struct file*，指向打开文件对应结构体的首地址

然后返回数组的下标给用户，用户即可通过数组下标找到对应的文件对象，找到对应的文件

实际上这个数组的下标就是open()打开文件后，返回的文件描述符

如下是linux-2.6.32.26的源代码

如下是进程控制块结构体——task_struct中的成员变量

如下是files_struct结构体

其中fd_array就是存储file指针的数组，它的默认大小NR_OPEN_DEFAULT，这个值一般是32或64，但最多可以打开的文件不只这么多，通过扩展表，做多可以扩展到10万个文件；

我们可以通过ulimit -a，看到自己主机当前的进程文件默认最大打开数

我们再打开file结构体

如何理解一切皆文件

前面提到，程序默认打开的三个文件其实是三个外设，那操作系统是如何做到把外设和文件一视同仁的呢？

首先，所有的外设都要让驱动进行操作，驱动也要为上层提供相应的读写接口

从上面我们知道，操作系统会用一个file结构体描述一个文件

那么就可以在结构体中设置一些函数指针，指向对应打开设备的操作函数

当构造一个file对象的时候，让readp和writep指向对应设备的操作函数

当write()函数底层对文件进行写入的时候，只会调用readp这个函数，至于到底是在对什么设备操作，它并不关心；

这其实就是C++中多态概念的原始体现。

如上这种文件管理方式我们称为虚拟文件系统 Virtual File Systems（VFS）

我们看一下内核代码块中的file：

这里file_operations结构体中就是对应的一些函数指针：

在file结构体构造的时候，就会把f_op成员中的这些函数指针指向对应文件或设备的接口·

关于重定向

文件描述符的分配规则

如果直接打开一个文件：

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int fd = open("file.txt", O_CREAT | O_WRONLY， 0666);
    printf("fd->%d\n", fd);
    close(fd);
    return 0;
}

fd->3

默认分配的文件操作符是3；

如果先把输入文件（0）关掉：

int main(int argc, char const *argv[])
{
    close(0);
    int fd = open("file.txt", O_CREAT | O_WRONLY， 0666);
    printf("fd->%d\n", fd);
    close(fd);
    return 0;
}

fd->0

新创建的文件的文件操作符就是0，顶替了原本的输出文件

所以，我们可以得出:

文件操作符的分配规则就是：从0位置开始找到第一个未使用的进行分配

重定向的本质

那么，我们我们如果打开一个新文件之前，先将用于标准输出的文件描述符—1中的文件关掉，

那么这个位置就为空，新打开的文件就会放到这个位置，

原本1号文件描述符所对应的标准输出文件就变成了我们新打开的文件，

标准输出流—stdout中存的也是文件描述符1，它所代表的文件也变成了我们新打开的这个。

我们知道，所有对文件的读写操作(write,read,printf……)只认文件描述符

所以此时的所有标准输出都会写到文件中，我们测试一下：

int main(int argc, char const *argv[])
{
    close(1);//关掉标准输出
    int fd = open("file.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0666);//打开新文件
    printf("fd->%d\n", fd);//向stdout输出
    fflush(stdout);//刷新缓存区
    close(fd);//关闭新打开的文件
    return 0;
}

由于缓存区的存在，要想完成写入，必须对缓存区进行刷新，具体缓存区内容见后

此时运行这个程序，可以看到屏幕上并没有任何输出，打开file.txt文件可以看到相应的输出

fd->1

当我们调用printf进行打印的时候，它并不会关心是不是打印到了屏幕上，只会按部就班的到stdout的FILE结构体中找到_fileno,向文件描述符所指向的文件中写入。

但是如果想我们上面先关闭一个2文件，再打开一个文件的操作，进行重定向实在是有点挫，下面看看用于重定向的函数

重定向接口—dup2

duplicate本意是复制，这个函数的作用也是复制一个文件描述符

dup2(): makes newfd be the copy of oldfd, closing newfd first if necessary

文档中的解释可能有点晦涩

我们知道，文件描述符就是file* fd_array[]这个数组的下标，

这个函数的作用就是把oldfd下标中的file*指针拷贝一份到newfd下标中，

如果newfd的位置不为空，就先将它指向的文件close（）再拷贝

此时newfd和oldfd指向同一个文件

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int fd = open("file.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0666);
    dup2(fd, 1); //把fd位置的文件拷贝一份到1位置
    printf("fd->%d\n", fd);
    fflush(stdout);
    close(fd);
    close(1);
    return 0;
}

file.txt

fd->3

如果我们指向进行重定向，原位置3的文件不再需要，也可dup2(fd, 1);之后直接close(3);

我们也不需要担心这里的重复close()会造成资源重复释放，因为指向的file对象中会有一个引用计数，每当有新的文件描述符对其指向或进行close()，其内部的计数器会自动++/–，所以close()函数仅仅就是将file* fd_array[]数组的对应下标置空、再对file中的计数器进行–；至于file资源什么时候释放，完全由操作系统监管。

命令行中的重定向

回顾

我们回顾一下，命令行中重定向的使用：

int main()
{
    string s;
    getline(cin, s);
    cout << s << endl;
    return 0;
}

如果直接运行这个程序，输入一行，复制输出一行

当使用>out.txt,表示将原本要输出到屏幕的字符串输出到out.txt文件

使用，表示原本要从键盘上读取的内容改为从文件in.txt中读取

于是./test out.txt即可把in.txt文件的一行拷贝到out.txt中

>表示先清空文件内容，然后覆盖式写入

如果想追加写入，可以使用追加重定向：>>

shell的实现方式

我们在命令行进行>：输出重定向、>>：追加重定向、<：输入重定向实际就是shell进程检测到了命令行中的>/>>/<符号，就将进程test的0/1号文件描述符指向后面的这个文件

假如我们要自己实现一个shell，就可以在fork之后，让子进程进行重定向到后面的out.txt，然后再进程替换为前面的./test

（至于如何实现一个shell，进程创建，进程替换等知识，可以看进程控制一文）

具体重定向：

当我们检测到>，在fork之后就可以

pid_t id = fork();
if(id==0)
{
    int fd = open("out.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
	dup2(fd, stdout->_fileno);
    execlp(...);
}

当检测到>>：

pid_t id = fork();
if(id==0)
{
    int fd = open("out.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);
	dup2(fd, stdout->_fileno);
    execlp(...);
}

当检测到<：

pid_t id = fork();
if(id==0)
{
    int fd = open("in.txt", O_RDONLY);
	dup2(fd, stdout->_fileno);
    execlp(...);
}

(注意：execlp进程替换不会影响PCB中的file_struct表，不然我们前面的重定向就无效了)

标准错误流

拆分

前面我们一个C程序会默认产生三个FILE：标准输入流、标准输出流、标准错误流

第一个默认对应键盘，后两个都是屏幕

当我们程序出现错误的时候，一般使用如下的方式，调用标准错误流进行错误的打印

int main()
{
    string s1 = "stderr";
    string s2 = "stdout";

    fprintf(stderr, "%s\n", s1.c_str());//C语言
    cerr << s1 << endl;//c++

    printf("%s\n", s2.c_str());//C语言
    cout << s2 << endl;//c++
}

前两条会向3号文件描述符的文件输出

如果在执行程序的时候，仅仅使用>重定向到out.txt，”stdout”会在out.txt进行写入”stderr”依然会打印到屏幕上

因为>仅仅会改1号文件描述符，2号文件描述符对应的还是屏幕

如果我们想在命令行对stderr进行重定向，可以使用如下方法

./test 2>err.txt >out.txt

表示把./test的2号描述符指向err.txt，1号描述符指向out.txt

（>等同于1>，当然如果已知程序中还有3，4，5号描述符，也可用3>,4>,5>对它们重定向）

那标准错误流的意义何在呢？

如此就可以把不同等级的错误和正常输出进行区分，让他们出现在不同的文件，这些文件的等级也称为日志等级

合并

前面的是将默认都输出到屏幕的改为输出到多个文件

那可以把原本输出到多个文件的改为输出到一个文件或屏幕吗？

如果仅

./test >all.txt

标准输出会到all.txt中去，但标准错误还会到屏幕上

./test >all.txt 2>&1

后面的2>&1表示把原本输出到2号文件描述符的内容输出到1号中去

此时，标准输出和标准错误就都会输出到all.txt中去

shell的实现也很好理解，只需dup2(1,2);即可

perror

C语言还有一个专门用于输出错误的函数perror

void perror ( const char * str );

它可以向stderr流输出str字符串和此时的错误（strerror(errno))：

int main()
{
    string s1 = "stderr";
    string s2 = "stdout";
    fprintf(stderr, "%s:%s\n", s1.c_str(), strerror(errno));
    perror(s1.c_str());
}

当一些C库函数调用的过程中如果发生了错误，可能会设置errno为特定数值，通过strerror函数可以把数值转为错误字符串

缓冲区的理解

在前面重定向的本质所给的代码案例中，有个小细节：最后要加一个fflush，用来刷新缓冲区

之前大家应该也或多或少听过缓冲区这个词

那什么是缓冲区呢？

什么是缓冲区

从本质上看，缓冲区就是一段物理

为什么要有缓冲区

1. 解放进程的IO时间

从计算机的冯诺依曼体系我们知道，CPU访问外设的时间相对于访问内存来说是很长的

那当我们打开一个文件进行写入的时候，需要经过漫长的路，完成数据的写入，然后才能会回来继续执行后续操作

在写入的这段时间，进程相当于一直在阻塞等待，也就是卡住了

为了增加效率，让进程运行起来更丝滑，我们可以先将数据写入内存中，然后迅速的回来执行后续的进程操作，从内存到文件的存储可以后面单独再做，这部分内存就是缓冲区

2. 集中处理数据的刷新

当进程要多次对文件等外设输入时，如果直接跟外设进行交互，读写十次，也就要10次漫长的IO时间

如果十次都先把数据加载到内存的缓冲区中，那么最终也只要一次IO时间，大大提高了IO效率

缓冲区在哪

前面说缓冲区是内存上的一段空间，那这段空间是谁开出来的？由谁管理？

这里的“谁”可以由很多答案，甚至用户在栈区开一个数组进行临时存储，如果符合上面的概念，也叫缓冲区

语言级缓冲区

当我们执行如下代码：

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello printf");
    write(stdout->_fileno, "hello write", 20);
    sleep(3);
    return 0;
}

按照代码的执行顺序，屏幕上应该先输出hello printf，然后输出hello write，等待3秒后进程退出

但实际的打印情况是：屏幕上先输出hello write，三秒后，也就是进程退出的时候才输出hello printf

也很好理解，在C语言学习时我们就知道，如果printf输出的时候没有\n进行换号，默认不会刷新缓冲区，如果中间一直不出现刷新，会等到缓冲区满或者进程退出的时候再刷新，所以我们这里的hello printf一直等到进程退出的时候才刷新到屏幕

从进程已启动立刻就打印了hello write可以看出，这个系统级接口的缓冲区刷新策略是实时的

但是这个C语言提供的printf一定会调用系统接口write，如果它们用的是同一个缓冲区，当printf调用了write，一定会立即刷新

所以，可以得出，这里C语言的缓冲区和系统调用的一定不重合

事实上，C语言的缓冲区就在FILE结构体中

typedef _IO_FILE FILE;

struct _IO_FILE {
  int _flags;		/* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags

  //缓冲区相关
  /* 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. */
  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;
#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
};

也就是说，当我们使用fopen()每打开一个文件：

fopen会创建一个FILE结构体，并为FILE开一个缓冲区，然后返回这个FILE的地址

我们在调用fopen处就用一个FILE*接收

文件系统缓冲区

前面我们介绍了C语言的缓存区，但是系统调用write的缓冲区我们一直没细谈

这部分需要很多的知识铺垫，大家可以到Linux_文件系统一文再看

缓冲区刷新策略

从前面我们看到，缓冲区系统调用：write和语言级函数printf的刷新实际不同

单C语言的缓冲区，对stdout的输入时遇到换行就会刷新到屏幕，但对一个打开的磁盘文件输入时即使有换行也不会刷新

所以，不同地方的缓冲区刷新策略是不同的

我们总览一下缓冲区的刷新策略有哪些：

常规：

1. 无缓冲（立即刷新）
2. 行缓冲（遇到换号符刷新）——显示器文件（stdout）
3. 全缓冲（缓冲区满才刷新）——块设备文件（磁盘文件）

特殊：

1. 进程退出刷新
2. 用户强制刷新——fflush()

FILE的总结

此时我们了解到的，FILE中有三个东西：

文件描述符：int _fileno;

缓冲区的各种指针

不同打开文件对应的刷新策略：int _flags;

案例解析

观察如下代码：

int main()
{
    const char *str1 = "hello printf\n";
    const char *str2 = "hello fprintf\n";
    const char *str3 = "hello fputs\n";
    const char *str4 = "hello write\n";

    printf(str1);
    fprintf(stdout, str2);
    fputs(str3, stdout);

    write(stdout->_fileno, str4, strlen(str4));

    fork();
    return 0;
}

我们使用三个C库函数和一个系统调用接口分别打印四个字符串

如果直接运行程序，结果确实与我们预期所一致

但是如果输出重定向到另一个文件，可以看到，打印的内容多了三条

发生了什么？

当我们对其重定向，stdout原本对应得显示器文件就变成了对应得磁盘文件，

同时刷新策略也从行缓冲变为了全缓冲，即三个C语言函数只有进程退出的时候才会刷新

其中write是系统调用，不会受C语言刷新策略的影响，一直都是即时刷新，也就只打印了一次

由于fork之后，进程所有的的数据都进行了写时拷贝，

也就相当于父进程和子进程各有一个未刷新的FILE类型的stdout

当父子都退出，都会触发进程退出时的流刷新，文件中也就有两份输出