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前言

在計算機系統中，文件由內容數據和元數據屬性共同構成。文件的完整生命周期分為兩個階段：

文件狀態	存儲位置	管理方式
未打開文件	磁盤存儲介質	文件系統通過inode管理
已打開文件	內存	內核通過file結構體管理

• 所有文件操作本質上都是進程與文件系統的交互
• 打開文件需要將文件屬性加載到內存
• 文件內容采用按需加載策略（延遲加載）

研究文件系統本質是研究進程和文件之間的關系（文件是由進程打開的）；未打開的文件存在磁盤上（存儲介質），文件要被打開（屬性）必須先要加載到內存；

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一、C語言中的文件接口

基本輸入輸出 stdio.h
訪問磁盤的過程稱之為IO的過程，

1. 文件指針（句柄）FILE*

//C標準庫通過FILE結構體封裝文件描述符FILE *fopen(const char *path, const char *mode)
// mode參數決定了你的訪問權限

mode	說明	特性
“w”	寫模式（清空文件）	文件不存在時創建
“a”	追加模式	保留原內容，末尾寫入
“r”	讀寫模式	文件必須存在

以寫方式打開文件，若文件不存在會新建一個文件

若沒有指定路徑，程序會在默認當前路徑下創建，當前路徑指的是進程的當前路徑（使用ls /proc/[pid] 查看到當前進程的cwd）。

同樣的，修改當前進程的工作目錄就可以改變創建文件的默認路徑。

chdir("home/ys") //修改進程工作路徑為home/ys

W寫入方式，在打開文件之前都會將文件內容全部清空

上一個程序疑問：strlen要不要+1？

我們知道寫入字符串時需要將\0也寫入，我們試驗之后發現文本中多了@^這樣的亂碼，推測這就是\0，只不過vim文本編輯器將其解釋成了亂碼符號。結論是strlen不需要+1，文件系統沒有規定字符串必須以\0結尾。

追加寫方式，其用法與寫方法一致，不同在于a方法可以在文件結尾寫入

二、認識文件系統調用

c語言程序在啟動時，會默認打開三個標準輸入輸出流文件：

stdin：鍵盤設備
stdout：顯示器文件
stderr：顯示器文件

文件其實是在磁盤上的，由于磁盤是外部設備，訪問文件實際上是訪問磁盤這樣的硬件。不同的語言有不同的文件操作方式，但在底層用的是都是一樣的實現方式——都需要調用系統接口open、read、write。

庫函數（fopen,printf,fscanf等）訪問硬件設備一定會通過系統調用來訪問。

Linux下的系統調用open()

第一個參數為文件路徑

• 若pathname以路徑的方式給出，則當需要創建該文件時，就在pathname路徑下進行創建。
• 若pathname以文件名的方式給出，則當需要創建該文件時，默認在當前路徑下進行創建。（注意當前路徑的含義）

第二個參數為操作文件的方式

方式	含義
O_RDONLY	以只讀的方式打開文件
O_WRNOLY	以只寫的方式打開文件
O_APPEND	以追加的方式打開文件
O_RDWR	以讀寫的方式打開文件
O_CREAT	當目標文件不存在時，創建文件

1. O_WRONLY是寫方式，但是它并不會新建文件
2. O_CREAT打開文件時清空文件

3. O_APPEND 追加寫選項
寫入:

const char* message = "hello";
write(fd,message,strlen(message));
//write并不會對文件進行清空式寫入。

int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666); //追加
write(fd,message,strlen(message),);

第三個可選參數是更改創建文件的默認權限：

//eg:
int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT); 

創建權限錯誤，所以新建文件時需要告訴接口權限是什么。

int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666); 

這里創建出來的并不是666而是664，應該要想到之前學到的權限掩碼(0002)的知識！

比特位級別的傳參方式原理：
使用位圖的方式，一次向操作系統傳遞多個標志位

三、訪問文件的本質

可以將其類比系統管理進程（struct_task），Linux系統中一切皆文件，因此管理進程勢必要通過先描述再組織的方法進行。要描述一個被打開的文件（struct_file），往往需要包含文件路徑、文件基本屬性（權限、大小、讀寫位置、訪問用戶的信息等）、文件的內核緩沖區信息、下一個struct_file的指針。

一個進程可能會打開多個文件，那么進程與文件之間又是如何關聯的？（1：n）

進程PCB中會存在一個結構體指針struct files_struct *files指向了一個結構體，該結構體存放了一個存放各種文件PCB指針的數組；因為是數組，所以這也解釋了為什么open接口返回的是int類型的值了，進程根據這個下標就可以訪問對應文件。

如果嘗試打印一下返回值，發現文件描述符默認是從3開始的，那么0，1，2是什么文件呢？那就是標準輸入輸出錯誤流了！（stdin \ stdout \stderr）

int fd = open("demo.txt",O_WRONLY |O_CREAT,0666);
cout << fd << endl; //3cout << stdin->_fileno << endl;//0
cout << stdout->_fileno << endl;//1
cout << stderr->_fileno << endl;//2

既然一切皆文件，那么輸出流也是文件，因此我們可以使用以下代碼向標準輸出流文件中寫入message信息：

const char* message = "hello";
write(1,message,strlen(message));// 1 就是標準輸出流stdout

從標準輸入流文件中讀取buffer大小的字符放在buffer[1024]數組中 ：

char buffer[1024];
read(0,buffer,sizeof(buffer));
printf("echo: %s\n",buffer);

四、重定向與緩沖區

文件描述符對應的分配規則是什么？

從0下標開始，尋找沒有被使用的數組位置，它的下標就是新文件的文件描述符值。

假設我們有一個空文件log.txt，有如下代碼，含義是將msg中的strlen長度的數據輸出到顯示器。

const char* msg = "hello linux\n";
write(1,msg,strlen(msg));

但如果先關閉了1描述符（即關閉標準輸出流），除了顯示器無法顯示外

close(1);
int fd = open("log.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);//1
const char* msg = "hello linux\n";
write(1,msg,strlen(msg));//此時寫入的就是1號文件描述符，即log.txt 文件

log.txt中居然存有數據。
這一工作，稱為輸出重定向。根據上面的知識可以意識到關閉了1描述符后，那么這里就是空著的，當使用open接口新建log.txt時，根據文件描述符分配規則，自然1號位就成為了log.txt的fd描述符，所以將本來要寫入stdout的數據寫入到了log.txt中。

自定義重定向系統調用接口dup2

int dup2(int oldfd,int newfd)
把oldfd復制到newfd
//oldfd 相當于 原本的 3 描述符
//newfd 相當于 原本的 1 描述符int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);
dup2(fd, 1); 

這里要注意的是，重定向中的拷貝，不是將文件描述符表中的下標進行拷貝，而是對下標處的內容（文件結構體指針）進行拷貝！

使用dup2在打開文件log.txt后，進行了輸出重定向，將原本輸出到顯示器的內容寫入到了log.txt文件中。再次更改代碼open的宏參數（O_TRUNC -> O_APPEND），就成為了追加重定向操作。結果如下所示：

同樣的，可以修改代碼讓其重定向標準輸入流至文件（默認read從stdin文件讀數據，重定向后，從log.txt文件中讀）。這一過程稱為輸入重定向。

以上是使用dup2重定向系統調用函數write、read，前面提到c語言printf、fprintf底層也是這樣的文件描述符表的結構，那是否可以控制c語言中的輸入輸出呢？

dup2(fd,1);
printf("hello printf\n");
fprintf(stdout,"hello printf\n");

回想之前的章節介紹到echo指令，可以進行輸出重定向，cat指令可以進行輸入重定向

echo "hello" > log.txt   //輸出重定向
cat < log.txt            //輸入重定向
echo "hello" >> log.txt  //追加重定向

進程的替換不會影響文件的訪問（包括重定向操作）——復習進程替換

stdout與stderr都是可以向顯示器打印，為什么要有2？他們倆的區別是什么？

有如下代碼，表示將字符串分別輸出到1（標準輸出流）和2（標準錯誤流）中。

$ ./mytest 1>normal.log 2>err.log
//將stdout的數據重定向至normal.log
//將stderr的數據重定向至err.log

實際上，1和2是相同的實現方式，只不過在使用中，相較于正常結果而言，更關注的是它的錯誤信息，而正常運行的信息往往很多，不便錯誤的篩查與糾正。因此，為了將錯誤信息分離出來，才有了標準錯誤流。

一個衍生用法：

$ ./mytest >normal.log 2>&1

再談“一切皆文件”

1. 外設設備與文件系統的關系

在這之前我們知道：所有操作計算機的動作都是由進程執行的，包括文件的訪問，每一種外設都要有描述他們的結構體對象（struct_dev）。

此外，每一種外設都有其相獨特的讀寫方法，縱然每個外設對應的訪問實現方式不同（各家外設設備驅動的不同），而對于操作系統來看，這些外設無非都是一些需要進行讀寫的文件，而能夠直接進行文件訪問讀寫的就是進程（open接口），打開新的文件就會創建一個新的struct_file，這個結構體是不是很熟悉？在這個結構體中，就存在著能夠指向該文件具體實現自身讀寫行為的指針（struct fils_operations*），例如（指向了不同磁盤的讀寫方法，不同鍵盤的讀寫方法）。

• 在Linux中，將struct_file這一層的邏輯關系稱為虛擬文件系統（VFS）。

外設差異化被封裝在驅動中：不同廠商的驅動實現自己的讀寫邏輯（如razer_keyboard_read和logitech_keyboard_read），但必須遵循操作系統定義的接口。
?操作系統通過抽象層統一接口：上層應用只需調用 read()、write() 等標準接口，無需關心底層是羅技還是雷蛇設備。

2. 擴展思想：

這種設計模式與 面向對象編程中的多態性高度相似：

?基類（抽象接口） ?：操作系統定義的設備驅動接口（如file_operations）。
?派生類（具體實現） ?：廠商驅動的讀寫函數（如雷蛇、羅技的實現）。
運行時多態 ：通過函數指針動態綁定到具體實現。

通過這種機制，操作系統實現了外設的 ??“高內聚、低耦合”?，使得硬件廠商可以自由創新，同時保持軟件生態的兼容性。

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總結

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