【Linux lesson4】基础IO

一、理解文件

再Linux下，IO设备全都被抽象成了文件，所以，一切的IO操作都变成了对文件的IO操作。

文件的补充知识

1.0kb的文件是占磁盘空间的。

2.文件=文件属性+文件内容。

3.所有的文件操作都是文件属性操作或文件内容操作。

4.我们打开文件，本质上是把磁盘级的文件加载到内存中，因为对磁盘的读写效率过低，所以要加载到内存中方便读写。

二、系统文件IO

我们打开文件，其实有很多方式，其中也有系统调用的方式。

其中：

pathname：要打开的文件名

flags：是一个位图，可以通过系统提供的宏来构成参数选项：

• O_RONLY：只读打开
• O_WRONLY：只写打开
• O_RDWR：读写打开
• O_CREAT：若文件不存在则创建它，使用mode表示创建文件的权限
• O_APPEND：追加写

返回值：若成功，则返回新打开的文件描述符，失败则返回-1。

那么什么是文件描述符呢？

二、文件描述符

文件描述符是一个整数，可以将其理解为数组下标，数组存储着这个进程打开的所有文件的地址。

我们如果尝试以后就会发现，打开文件后，它的文件描述符是3，那0，1，2呢？

其实，Linux进程在默认情况下会打开三个文件描述符，它们分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2。它们分别对应的是：键盘、显示器、显示器。

文件描述符分配规则

存储文件描述符，也就是文件指针的数据结构，被称为files_struct，在这个数组中，找到一个最小的没有被使用的下标，作为新的文件描述符。

重定向

既然文件可以被关闭，那012是不是也可以呢？关闭了会怎么样？

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    close(1);

    int fd = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    printf("Hello World!\n");
    close(fd);
    
    return 0;
}

结果hello world却被输入到了output.txt，而显示器上什么也没有，这就是重定向。

在命令行也有常用的重定向操作，通常使用<,>>,>。

那么，系统有没有提供相关的系统调用呢？答案当然是有的。

其中，oldfd表示要打开的文件，newfd表示要关闭的文件。

如果调用成功，则返回newfd。失败返回-1。

三、一切皆文件

除了磁盘文件，其他的一些东西，也被Linux抽象成了文件，例如进程、磁盘、显示器、网卡、键盘等。这样做有什么好处呢？

对这些硬件设备进行操作，其实也可以抽象成读和写，和文件是一样的，所以，将他们抽象成为文件，就可以减少学习的成本。

操作系统为了管理一切被打开的文件，必然要先描述，再组织。而描述文件的数据结构叫做struct file 其中存储了文件的文件标识、引用计数、文件的打开模式、文件的权限、文件的位置和一个file_operations结构体，这个结构体里全是函数指针，包含了此文件的所有操作方法。

而未来，对于不同的硬件设备，只要驱动开发写好底层的回调函数，上层就可以调用统一的接口进行IO操作。

三、缓冲区

什么是缓冲区

缓冲区是内存的一块空间，用于暂时存储输入和输出的数据。

为什么需要缓冲区

本质上和为什么需要内存是一样的，由于对外设的读写过慢，所以先将数据存入缓冲区，之后一并进行IO，减少IO次数，提高效率。

缓冲类型

• 全缓冲区：这种缓冲方式要求填满整个缓冲区后才进行1/0系统调用操作。对于磁盘文件的操作通常使用全缓冲的方式访问。
• 行缓冲区：在行缓冲情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，标准1/0库函数将会执行系统调用操作。当所操作的流涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），使用行缓冲方式。因为标准I/O库每行的缓冲区长度是固定的，所以只要填满了缓冲区，即使还没有遇到换行符，也会执行I/O系统调用操作，默认行缓冲区的大小为1024。
• 无缓冲区：无缓冲区是指标准1/0库不对字符进行缓存，直接调用系统调用。标准出错流stderr通常是不带缓冲区的，这使得出错信息能够尽快地显示出来。

除了默认的刷新，还有以下几种情况会导致缓冲区刷新：

1.缓冲区满了

2.执行flush

3.进程结束

在Linux中，库函数自带缓冲区，而系统调用没有缓冲区，说明缓冲区其实是由库函数实现的，由C标准库提供。