目錄

前言

一、從硬件角度理解"Linux下一切皆文件"

從理解硬件是種“文件”到其他系統資源的抽象

二、緩沖區

1.緩沖區介紹

2.緩沖區的刷新策略

3.用戶級緩沖區

這個用戶級緩沖區在哪呢？

解釋關于fork再加重定向“>”后數據會打印兩份的原因

4.內核緩沖區簡介

總結

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前言

"Linux下一切皆文件"，這是Linux的一個基本設置理念同時也是Linux的設計哲學所在。

這篇博客，筆者首先總結一下我自學習Linux以來，到目前自己對“Linux下一切皆文件”的感悟和理解，其次再討論Linux中的緩沖區機制。

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提示：以下是本篇文章正文內容，下面案例可供參考

一、從硬件角度理解"Linux下一切皆文件"

首先需要再次明確Linux操作系統的主要目的或者作用：

對上，方便用戶使用——為用戶提供穩定的、高效的、安全的使用環境。

對下，管理好計算機繁雜的軟硬件資源；

其次需要明確的是文件無外乎由兩部分構成：內容和屬性

內容決定文件“是什么”（數據含義）。

屬性決定文件的“如何用”（權限、存儲、類型）。

比如一個普通文件：

他的內容是文本、二進制數據；

他的屬性是文件名、權限、大小、時間戳等。

我們可以通過write、read等修改文件內容，也可以用chmod函數修改文件的權限等屬性。

初識Linux：常見指令介紹，文件權限的更改，以及粘滯位的理解-CSDN博客

那么思維發散一下，我們能否將這些硬件的自身狀態、操作方法抽象為“內容+屬性”，并用統一的接口修改這些硬件呢？

已知的是Linux似乎正是將系統資源（如硬件設備等）抽象為文件，提供統一的文件操作接口（open,?read,?write,?close等）。使得無論操作對象是普通文件、目錄、設備，用戶都可以通過相同的文件系統與之交互。

從理解硬件是種“文件”到其他系統資源的抽象

對于計算機上諸多的硬件資源，我目前認為操作系統通過：先整理，再管理的方法管理這些硬件。

所謂先整理，在管理。這是筆者從進程PCB的創建受到的啟發。OS為方便管理不同的進程會為其創建PCB，其中包含著進程的所有屬性信息，那管理硬件是不是也可以通過創建某種數據結構來實現管理呢？

①假設OS為方便管理各種硬件資源會為其創建某種數據結構——這里想象成某種結構體struct file，該結構體中記錄著該硬件的各種屬性信息和行為函數——即IO操作。

②通過對馮諾依曼體系結構的抽象，將計算機抽象為存儲器和其他。這個其他中包括cpu和各種硬件設備，這么劃分的原因是這些硬件都要與內存進行IO操作。我們不妨暫將所有硬件的IO操作抽象為兩個函數read( )和write( )。

通過上述兩點，創建一個struct file結構體，其中有著各硬件的狀態信息和函數行為：

struct file
{//內容int type;int status;……//屬性int (*write)();//函數指針int (*read)();……
}

那么將每個硬件file實例化（與多態有些相似），再通過一個數據結構如鏈表將這些硬件的struct對象管理起來，如鏈表。

綜上，當站在上層視角來看，這些硬件都是一種統一的數據，其中有著“內容+屬性”，這不就是一種抽象的“文件”嗎。這些個文件提供統一的文件操作接口（write、read、open、close等），無論操作對象是鍵盤、鼠標還是其他什么硬件，用戶都可以通過相同的接口與之交互。

將上述思想和方法發散到其他系統資源，同樣通過“先整理，再管理”的思想，這或許是理解“Linux下一切皆文件”的思路之一吧。

問：磁盤等硬件有輸入輸出好理解，那如顯示器等硬件不是只有輸入或者只有輸出嗎？

答：雖然如顯示器等設備沒有輸入操作，我們只需將其struct內部的函數指針置為NULL即可。

以上是筆者目前對“Linux下一切皆文件”的理解，若筆者有錯誤的認識或者讀者有更深的理解，還請讀者不吝賜教，在評論區中一起討論。

二、緩沖區

1.緩沖區介紹

1）什么是緩沖區

緩沖區本質上就是一段內存。

2）為什么要有緩沖區

磁盤等存儲設備物理I/O效率極低，通過引入緩沖區將多次小數據操作合并為大數據操作，從而節省數據IO時間，提升性能。

2.緩沖區的刷新策略

通過以下代碼觀察緩沖區：

在程序sleep的十秒之間printf不會打印，等sleep結束后才會打印。

注意printf沒有帶\n。

  1 #include<stdio.h>2 #include<unistd.h>3 int main()4 {5     printf("hello Linux");//注意沒帶\n6     sleep(10);                                                                                                                                           7     return 0;8 }

但在printf和sleep之間添加了fflsh(stdout)后，printf會立即打印。

下面是緩沖區的三種刷新策略。

1）立即刷新——無緩沖

2）行刷新——行緩沖

3）緩沖區滿——全緩沖（效率最高）

有兩種特殊情況緩沖區會立即刷新：

①用戶強制刷新（如上述的fflush函數）；

②程序退出——這也是為什么在某些集成開發環境下（如vs2022）程序時得等一會才能在控制臺上看到打印結果。

3.用戶級緩沖區

引子——觀察下列代碼在bash不同指令下的執行情況：

  1 #include<stdio.h>2 #include<unistd.h>3 #include<string.h>4 int main()5 {6     printf("hello Linux\n");//注意沒帶\n7     fprintf(stdout,"hello fprintf\n");8     fputs("hello fpurs",stdout);9     const char *str="hello writie\n";10     write(stdout->_fileno,str,strlen(str));11 12     fork();                                                                                                                                              13     return 0;14 }

執行 .?/ test:

執行. / test > log.txt

可以發現. / test > log.txt比. / test多打印了幾行，這多打印的全是C標準庫提供的函數。

這個用戶級緩沖區在哪呢？

通過觀察stdout的類型，我們可以推導出FILE中不僅有文件描述符，還存在緩沖區，所有當我們想要主動刷新緩沖區時，fflush傳入的是FILE*指針。

解釋關于fork再加重定向“>”后數據會打印兩份的原因

①沒有進行>時，我們看到打印了四條數據。stdout默認采用的是行刷新，在進行fork之前三條C函數已經將數據打印到顯示器上了，FILE中不在存有相應數據了；

②如果我們進行了>，寫入的文件不再是顯示器，而是普通文件，采用的刷新策略也不再是行緩沖而是全緩沖，而這三條C打印顯然不能填滿緩沖區，于是數據就沒有被刷新。fork函數之后緊接著就是程序退出，故當fork創建子進程后，無論父子進程誰先退出都必定會發生寫時拷貝（緩沖區刷新就是修改），因此父子進程分別向log.txt中打印了數據。

至于write，他是linux系統調用，不屬于C，且write用的是fd文件描述符沒有使用FILE結構體，所以C提供的緩沖區中就不考慮write，因此無論那種情況write都只打印了一次。

為什么stdout標準輸出默認采用行緩沖？

有關文件描述符的解釋，參看：Linux中有關文件操作的系統接口，文件描述符，重定向的介紹-CSDN博客

有關fork函數和寫時拷貝的解釋，參看：

Linux環境下的進程創建-fork函數的使用與寫時拷貝， 進程退出exit和_exit的區別，以及進程等待waitpid和status數據的提取方法-CSDN博客

4.內核緩沖區簡介

1）內核緩沖區在相應文件的file_struct中。流是文件的特殊或者說流是文件的一種高級抽象。

file_struct與task_struct（PCB）一樣都是內核級數據結構，在task_struct中有著指向file_struct的指針。

2）內核緩沖區的刷新策略完全由OS自主決定；

3）完整的數據刷新過程：

4）fsync函數：強制將內核緩沖區中的數據刷入磁盤。

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總結

筆者水平淺薄，對于上述內容難免有疏忽疑錯，還請讀者多多指處。

希望本文對你有所幫助

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