基礎IO（2）

基礎IO（2）

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理解“?切皆?件”

?先，在windows中是?件的東西，它們在linux中也是?件；其次?些在windows中不是?件的東西，?如進程、磁盤、顯?器、鍵盤這樣硬件設備也被抽象成了?件，你可以使?訪問?件的?法訪問它們獲得信息；甚?管道，也是?件；將來我們要學習?絡編程中的socket（套接字）這樣的東西,使?的接?跟?件接?也是?致的。

這樣做最明顯的好處是，開發者僅需要使??套 API 和開發?具，即可調取 Linux 系統中絕?部分的資源。舉個簡單的例?，Linux 中?乎所有讀（讀?件，讀系統狀態，讀PIPE）的操作都可以?read 函數來進?；?乎所有更改（更改?件，更改系統參數，寫 PIPE）的操作都可以? write 函數來進?。

之前我們講過，當打開?個?件時，操作系統為了管理所打開的?件，都會為這個?件創建?個file結構體，該結構體定義在 /usr/src/kernels/3.10.0-1160.71.1.el7.x86_64/include/linux/fs.h 下，以下展?了該結構部分我們關系的內容：

struct file {
...
struct inode *f_inode; /* cached value */
const struct file_operations *f_op;
...
atomic_long_t f_count; // 表?打開?件的引?計數，如果有多個?件指針指向
它，就會增加f_count的值。
unsigned int f_flags; // 表?打開?件的權限
fmode_t f_mode; // 設置對?件的訪問模式,例如：只讀，只寫等。所有
的標志在頭?件<fcntl.h> 中定義
loff_t f_pos; // 表?當前讀寫?件的位置
...
} __attribute__((aligned(4))); /* lest something weird decides that 2 is OK */

值得關注的是 struct file 中的 f_op 指針指向了?個 file_operations 結構體，這個結構體中的成員除了struct module* owner 其余都是函數指針。該結構和 struct file 都在fs.h下。

struct file_operations {
struct module *owner;
//指向擁有該模塊的指針；
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
//llseek ?法?作改變?件中的當前讀/寫位置, 并且新位置作為(正的)返回值.
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
//?來從設備中獲取數據. 在這個位置的?個空指針導致 read 系統調?以 -
EINVAL("Invalid argument") 失敗. ?個?負返回值代表了成功讀取的字節數( 返回值是?個
"signed size" 類型, 常常是?標平臺本地的整數類型).
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
//發送數據給設備. 如果 NULL, -EINVAL 返回給調? write 系統調?的程序. 如果?負, 返
回值代表成功寫的字節數.
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long,
loff_t);
//初始化?個異步讀 -- 可能在函數返回前不結束的讀操作.
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long,
loff_t);
//初始化設備上的?個異步寫.
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
//對于設備?件這個成員應當為 NULL; 它?來讀取?錄, 并且僅對**?件系統**有?.
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
//mmap ?來請求將設備內存映射到進程的地址空間. 如果這個?法是 NULL, mmap 系統調?返
回 -ENODEV.
int (*open) (struct inode *, struct file *);
//打開?個?件
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
//flush 操作在進程關閉它的設備?件描述符的拷?時調?;
int (*release) (struct inode *, struct file *);
//在?件結構被釋放時引?這個操作. 如同 open, release 可以為 NULL.
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
//??調?來刷新任何掛著的數據.
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
//lock ?法?來實現?件加鎖; 加鎖對常規?件是必不可少的特性, 但是設備驅動?乎從不實現
它.
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *,
int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned
long, unsigned long, unsigned long);
int (*check_flags)(int);
int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *,
size_t, unsigned int);
ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *,
size_t, unsigned int);
int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
};

file_operation 就是把系統調?和驅動程序關聯起來的關鍵數據結構，這個結構的每?個成員都對應著?個系統調?。讀取 file_operation 中相應的函數指針，接著把控制權轉交給函數，從?完成了Linux設備驅動程序的?作。

介紹完相關代碼，?張圖總結：

在這里插入圖片描述

上圖中的外設，每個設備都可以有??的read、write，但?定是對應著不同的操作?法！！但通過struct file 下 file_operation 中的各種函數回調，讓我們開發者只?file便可調取 Linux 系統中絕?部分的資源！！這便是“linux下?切皆?件”的核?理解。

緩沖區

什么是緩沖區

緩沖區是內存空間的?部分。也就是說，在內存空間中預留了?定的存儲空間，這些存儲空間?來緩沖輸?或輸出的數據，這部分預留的空間就叫做緩沖區。緩沖區根據其對應的是輸?設備還是輸出設備，分為輸?緩沖區和輸出緩沖區。

為什么要引?緩沖區機制

讀寫?件時，如果不會開辟對?件操作的緩沖區，直接通過系統調?對磁盤進?操作(讀、寫等)，那么每次對?件進??次讀寫操作時，都需要使?讀寫系統調?來處理此操作，即需要執??次系統調?，執??次系統調?將涉及到CPU狀態的切換，即從??空間切換到內核空間，實現進程上下?的切換，這將損耗?定的CPU時間，頻繁的磁盤訪問對程序的執?效率造成很?的影響。

為了減少使?系統調?的次數，提?效率，我們就可以采?緩沖機制。?如我們從磁盤?取信息，可以在磁盤?件進?操作時，可以?次從?件中讀出?量的數據到緩沖區中，以后對這部分的訪問就不需要再使?系統調?了，等緩沖區的數據取完后再去磁盤中讀取，這樣就可以減少磁盤的讀寫次數，再加上計算機對緩沖區的操作? 快于對磁盤的操作，故應?緩沖區可? 提?計算機的運?速度。

??如，我們使?打印機打印?檔，由于打印機的打印速度相對較慢，我們先把?檔輸出到打印機相應的緩沖區，打印機再??逐步打印，這時我們的CPU可以處理別的事情。可以看出，緩沖區就是?塊內存區，它?在輸?輸出設備和CPU之間，?來緩存數據。它使得低速的輸?輸出設備和?速的CPU能夠協調?作，避免低速的輸?輸出設備占?CPU，解放出CPU，使其能夠?效率?作。

緩沖類型

標準I/O提供了3種類型的緩沖區。

? 全緩沖區：這種緩沖?式要求填滿整個緩沖區后才進?I/O系統調?操作。對于磁盤?件的操作通常使?全緩沖的?式訪問。

? ?緩沖區：在?緩沖情況下，當在輸?和輸出中遇到換?符時，標準I/O庫函數將會執?系統調?操作。當所操作的流涉及?個終端時（例如標準輸?和標準輸出），使??緩沖?式。因為標準I/O庫每?的緩沖區?度是固定的，所以只要填滿了緩沖區，即使還沒有遇到換?符，也會執?I/O系統調?操作，默認?緩沖區的??為1024。

? ?緩沖區：?緩沖區是指標準I/O庫不對字符進?緩存，直接調?系統調?。標準出錯流stderr通常是不帶緩沖區的，這使得出錯信息能夠盡快地顯?出來。

除了上述列舉的默認刷新?式，下列特殊情況也會引發緩沖區的刷新：

  1. 緩沖區滿時；

  2. 執?flush語句；

?例如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
close(1);
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
if (fd < 0) {
perror("open");
return 0;
}
printf("hello world: %d\n", fd);
close(fd);
return 0;
}

我們本來想使?重定向思維，讓本應該打印在顯?器上的內容寫到“log.txt”?件中，但我們發現，程序運?結束后，?件中并沒有被寫?內容：

[hyb@VM-8-12-centos buffer]$ ./myfile
[hyb@VM-8-12-centos buffer]$ ls
log.txt makefile myfile myfile.c
[hyb@VM-8-12-centos buffer]$ cat log.txt
[hyb@VM-8-12-centos buffer]$

這是由于我們將1號描述符重定向到磁盤?件后，緩沖區的刷新?式成為了全緩沖。?我們寫?的內容并沒有填滿整個緩沖區，導致并不會將緩沖區的內容刷新到磁盤?件中。怎么辦呢？可以使?fflush強制刷新下緩沖區。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
close(1);
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
if (fd < 0) {
perror("open");
return 0;
}
printf("hello world: %d\n", fd);
fflush(stdout);
close(fd);
return 0;
}

還有?種解決?法，剛好可以驗證?下stderr是不帶緩沖區的，代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
close(2);
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
if (fd < 0) {
perror("open");
return 0;
}
perror("hello world");
close(fd);
return 0;
}

這種?式便可以將2號?件描述符重定向??件，由于stderr沒有緩沖區，“hello world”不?fflush就可以寫??件：

[hyb@VM-8-12-centos buffer]$ ./myfile
[hyb@VM-8-12-centos buffer]$ cat log.txt
hello world: Success

FILE

? 因為IO相關函數與系統調?接?對應，并且庫函數封裝系統調?，所以本質上，訪問?件都是通過fd訪問的。

? 所以C庫當中的FILE結構體內部，必定封裝了fd

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
const char *msg0="hello printf\n";
const char *msg1="hello fwrite\n";
const char *msg2="hello write\n";
printf("%s", msg0);
fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);
write(1, msg2, strlen(msg2));
fork();
return 0;
}

運?出結果：

hello printf
hello fwrite
hello write

但如果對進程實現輸出重定向呢？ ./hello > file ， 我們發現結果變成了：

hello write
hello printf
hello fwrite
hello printf
hello fwrite

我們發現 printf 和 fwrite （庫函數）都輸出了2次，? write 只輸出了?次（系統調?）。為什么呢？肯定和fork有關！

? ?般C庫函數寫??件時是全緩沖的，?寫?顯?器是?緩沖。

? printf fwrite 庫函數+會?帶緩沖區（進度條例?就可以說明），當發?重定向到普通?件時，數據的緩沖?式由?緩沖變成了全緩沖。

? ?我們放在緩沖區中的數據，就不會被?即刷新，甚?fork之后

? 但是進程退出之后，會統?刷新，寫??件當中。

? 但是fork的時候，??數據會發?寫時拷?，所以當你?進程準備刷新的時候，?進程也就有了同樣的?份數據，隨即產?兩份數據。

? write 沒有變化，說明沒有所謂的緩沖。

綜上： printf fwrite 庫函數會?帶緩沖區，? write 系統調?沒有帶緩沖區。另外，我們這?所說的緩沖區，都是??級緩沖區。其實為了提升整機性能，OS也會提供相關內核級緩沖區，不過不再我們討論范圍之內。

那這個緩沖區誰提供呢？ printf fwrite 是庫函數， write 是系統調?，庫函數在系統調?的“上層”， 是對系統調?的“封裝”，但是 write 沒有緩沖區，? printf fwrite 有，?以說明，該緩沖區是?次加上的，?因為是C，所以由C標準庫提供。

簡單設計?下libc庫

my_stdio.h

$ cat my_stdio.h
#pragma once
#define SIZE 1024
#define FLUSH_NONE 0
#define FLUSH_LINE 1
#define FLUSH_FULL 2
struct IO_FILE
{
int flag; // 刷新?式
int fileno; // ?件描述符
char outbuffer[SIZE];
int cap;
int size;
// TODO
};
typedef struct IO_FILE mFILE;
mFILE *mfopen(const char *filename, const char *mode);
int mfwrite(const void *ptr, int num, mFILE *stream);
void mfflush(mFILE *stream);
void mfclose(mFILE *stream);

my_stdio.c

$ cat my_stdio.c
#include "my_stdio.h"
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
mFILE *mfopen(const char *filename, const char *mode)
{
int fd = -1;
if(strcmp(mode, "r") == 0)
{
fd = open(filename, O_RDONLY);
}
else if(strcmp(mode, "w")== 0)
{
fd = open(filename, O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, 0666);
}
else if(strcmp(mode, "a") == 0)
{
fd = open(filename, O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND, 0666);
}
if(fd < 0) return NULL;
mFILE *mf = (mFILE*)malloc(sizeof(mFILE));
if(!mf)
{
close(fd);
return NULL;
}
mf->fileno = fd;
mf->flag = FLUSH_LINE;
mf->size = 0;
mf->cap = SIZE;
return mf;
}
void mfflush(mFILE *stream)
{
if(stream->size > 0)
{
// 寫到內核?件的?件緩沖區中!
write(stream->fileno, stream->outbuffer, stream->size);
// 刷新到外設
fsync(stream->fileno);
stream->size = 0;
}
}
int mfwrite(const void *ptr, int num, mFILE *stream)
{
// 1. 拷?
memcpy(stream->outbuffer+stream->size, ptr, num);
stream->size += num;
// 2. 檢測是否要刷新
if(stream->flag == FLUSH_LINE && stream->size > 0 && stream-
>outbuffer[stream->size-1]== '\n')
{
mfflush(stream);
}
return num;
}
void mfclose(mFILE *stream)
{
if(stream->size > 0)
{
mfflush(stream);
}
close(stream->fileno);
}

main.c

$ cat main.c
#include "my_stdio.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
mFILE *fp = mfopen("./log.txt", "a");
if(fp == NULL)
{
return 1;
}
int cnt = 10;
while(cnt)
{
printf("write %d\n", cnt);
char buffer[64];
snprintf(buffer, sizeof(buffer),"hello message, number is : %d", cnt);
cnt--;
mfwrite(buffer, strlen(buffer), fp);
mfflush(fp);
sleep(1);
}
mfclose(fp);
}

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
mFILE *fp = mfopen(“./log.txt”, “a”);
if(fp == NULL)
{
return 1;
}
int cnt = 10;
while(cnt)
{
printf(“write %d\n”, cnt);
char buffer[64];
snprintf(buffer, sizeof(buffer),“hello message, number is : %d”, cnt);
cnt–;
mfwrite(buffer, strlen(buffer), fp);
mfflush(fp);
sleep(1);
}
mfclose(fp);
}

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