Linux - 基础IO【下】

一、重谈重定向

• stderr 和 stdout 是打印到显示器文件里面的 ， 均访问同一个文件
• 进行重定向的时候，是把3重定向到1 ， 但是2依旧是在显示屏

问 ： 为什么有了stdout ， 还需要有stderr ?

问：如何把stderr 和 stdout 打印到同一个文件 ？

二、理解"一切皆文件"

Linux 把所有资源都抽象成文件，包括：

• 普通磁盘文件（log.txt）
• 设备（键盘、显示器、网卡、磁盘）
• 进程间通信（管道、socket）
• 甚至内核对象

统一接口的意义

不管操作的是什么资源，都用同一套系统调用接口（open/read/write/close）来操作，这就是「一切皆文件」的本质：

• 对开发者：只需要学一套 API，就能操作所有资源
• 对内核：通过struct file_operations函数指针集，为不同资源实现不同的底层操作（比如键盘的read和磁盘的read实现完全不同）
• 对系统：架构简洁，可扩展性极强

骗过进程，相当于骗过用户 ， 让进程以为 "一切皆文件" ，屏蔽底层的差异。

file_operation 就是把系统调用和驱动程序关联起来的关键数据结构， 这个结构的每个成员都对应着一个系统调用。读取file _operation 中相应的函数指针，接着把控制权转交给函数。从而完成了Linux设备驱动程序的工作

上图的外设，每个设备都可以有自己的read ， write ， 但一定是对应着不同的操作方法！！！但通过struct file下file _operation中的各种函数回调，让我们开发者只用file便可以调取Linux系统中绝大部分的资源！！！这就是"Linux下一切皆文件"的核心概念！

三、缓冲区

3.1 什么是缓冲区

缓冲区是内存中预留的一块空间，用于缓存 IO 数据，分为：

• 用户级缓冲区：由 C 标准库（libc）维护，在用户空间
• 内核级缓冲区：由 Linux 内核维护，在内核空间

3.2 为什么要引入缓冲区机制

核心原因：CPU 速度 ≫ 内存速度 ≫ 磁盘 / 设备 IO 速度，存在严重的速度不匹配。

缓冲区的价值：

1. 减少系统调用次数：避免频繁的用户态 ↔ 内核态切换，降低开销
2. 批量 IO 提升效率：底层设备（如磁盘）更擅长批量读写，缓冲区可以攒够数据再一次性写入
3. 解耦 CPU 与 IO：CPU 只需要操作内存缓冲区，无需等待低速设备完成 IO

想象一下，如果没有菜鸟驿站，快递员要送快递给取件人，就必须直接联系对方：

• 快递员每送到一件快递，都要打电话给取件人，等对方下楼来取。

• 如果取件人不在家，快递员就得改天再跑一趟，或者一直等着。

• 取件人也可能因为不能及时拿到快递而感到不便。

这就像没有缓冲区的文件读写：每次应用程序要读一个字节，CPU就得发起一次系统调用，切换到内核态，让磁盘控制器去读一个字节，然后切换回用户态。频繁的系统调用和状态切换会消耗大量时间，就像快递员反复跑腿、等待一样，效率极低。

有了菜鸟驿站，流程就变成了：

• 快递员（数据源/输入设备）不再需要挨个打电话等取件人，而是直接把一批快递（数据块）放到驿站的货架上（缓冲区），然后就可以去处理下一批快递了。

• 取件人（CPU/应用程序）可以在自己方便的时候（比如下班后）去驿站，一次取走所有自己的快递，或者分次取，完全不用和快递员同步。

• 驿站（缓冲区）起到了中间暂存的作用，既让快递员能快速卸货，也让取件人能灵活取货。

3.3 缓冲类型

• 用户级缓冲区（语言层缓冲区）
  由C标准库提供（如printf、fwrite等函数内部维护的缓冲区）。当我们调用这些函数时，数据并不会立即通过系统调用写入内核，而是先暂存在用户空间的一块内存中（即用户级缓冲区）。
  例如，多次调用printf("a")，字符'a'可能先被收集到用户缓冲区，直到满足一定条件才一次性通过write系统调用发送给内核。

• 内核级缓冲区（文件内核缓冲区）
  当用户程序通过系统调用（如write）将数据交给操作系统后，操作系统并不一定会立即将数据写入硬件（如磁盘），而是先将数据拷贝到内核空间的缓冲区（即内核缓冲区）。操作系统根据自身的策略（如缓存、合并写入）决定何时真正将数据刷到硬件设备。

解释：

这是由于我们将1号描述符重定向到磁盘文件后，缓冲区的刷新方式成为了全缓冲。而我们写入的内容并没有填满整个缓冲区，导致并不会将缓冲区的内容刷新到磁盘文件中。

怎么办呢？

可以使用fflush强制刷新下缓冲区。

还有一种解决方法 ， 刚好可以验证 一下stderr是不带缓冲区的 ：

这种方式便可以将2号文件描述符重定向至文件，由于stderr没有缓冲区 ，"hello world"不用fflush就可以写入文件

3.4 FLIE（库封装系统调用）

很正常，四条消息，但是由于write是系统调用， 直接到文件内核缓冲区 ； 其他的库函数是先放在C标准库的的缓冲区，后面才被刷到os。

我们再接着看下面的例子：

3.5 简单设计一下libc库

mystdio.c

#include "mystdio.h" #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> static MYFILE *BuyFile(int fd, int flag) { MYFILE *f = (MYFILE*)malloc(sizeof(MYFILE)); if(f == NULL) return NULL; f->bufferlen = 0; f->fileno = fd; f->flag = 0; f->flush_method = LINE_FLUSH; memset(f->outbuffer, 0, sizeof(f->outbuffer)); return f; } MYFILE *MyFopen(const char* path, const char *mode) { int fd = -1; int flag = 0; if(strcmp(mode, "w") == 0) { flag = O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC; fd = open(path, flag, 0666); } else if(strcmp(mode, "a") == 0) { flag = O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND; fd = open(path, flag, 0666); } else if(strcmp(mode, "r") == 0) { flag = O_RDONLY; fd = open(path, flag); } else { //todo } if(fd < 0) return NULL; return BuyFile(fd, flag); } void *MyClose(MYFILE *file) { if(file->fileno < 0) return NULL; MyFflush(file); close(file->fileno); free(file); } int MyFwrite(MYFILE *file, void *str, int len) { //1.写入就是拷贝 memcpy(file->outbuffer + file->bufferlen, str, len); file->bufferlen += len; //2.尝试判断是否满足刷新条件？ if((file->flush_method & LINE_FLUSH) && file->outbuffer[file->bufferlen-1] == '\n') { MyFflush(file); } return 0; } void MyFflush(MYFILE *file) { if(file->bufferlen <= 0) return; int n = write(file->fileno, file->outbuffer, file->bufferlen); (void)n; fsync(file->fileno); file->bufferlen = 0; }

mystdio.h

#pragma once #include <stdio.h> #define MAX 1024 #define NONE_FLUSH (1<<0) #define LINE_FLUSH (1<<1) #define FULL_FLUSH (1<<2) typedef struct IO_FILE { int fileno; int flag; char outbuffer[MAX]; int bufferlen; int flush_method; }MYFILE; MYFILE *MyFopen(const char* path, const char *flag); void *MyClose(MYFILE *file); int MyFwrite(MYFILE *file, void *str, int len); void MyFflush(MYFILE *file);

usercode.c

#include "mystdio.h" #include <string.h> int main() { MYFILE * filep = MyFopen("./log.txt", "a"); if(!filep) { printf("fopen error!\n"); return 1; } char* msg = "hello myfile!\n"; MyFwrite(filep, msg, strlen(msg)); MyClose(filep); //FILE *fp return 0; }