一、文件描述符

1、文件描述符的底层理解

在上一章中，我们已经把 fd 的基本原理搞清楚了，知道了 fd 的值为什么是 0,1,2,3,4,5...

也知道了 fd 为什么默认从 3 开始，而不是从 0,1,2，因为其在内核中属于进程和文件的对应关系。

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

 

再看结果为3的时候，感觉不奇怪吧

接下来我们应该探索应用特征了。我们需要探索以下三个问题：

• ① 文件描述符的分配原则
• ② 重定向的本质
• ③ 理解缓冲区

2、fd 的分配原则 

代码演示：默认把 0,1,2 打开，那我们直接 close(0) 关掉它们

 

 运行结果如下：

 

此时，给我的文件分配的文件描述符就是0；

现在我们再把 2 关掉，close(2) 看看：

运行结果：

所以，默认情况下 0,1,2 被打开，你新打开的文件默认分的就是 3 (因为 0,1,2 被占了) 。

如果把 0 关掉，给你的就是 0，如果把 2 关掉，给你的就是 2……

 那是不是把 1 关掉，给你的就是 1 呢？我们来看看：

int main(void)
{
    close(1);
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    } 
 
    printf("fd: %d\n", fd);
 
    close(fd);
}

结果：

发现什么都没有。

出乎意料啊，fd 居然不是 1，而是什么都没有，这是怎么回事呢？

原因很简单，1 是 stdout，printf 打印是往 stdout 打印的，你把 1 关了当然就没有显示了。

分配规则：从头遍历数组 fd_array[] ，找到一个最小的且没有被使用的下标分配给新的文件。

根据 fd 的分配规则，新的 fd 值一定是 1，所以虽然 1 不再指向对应的显示器了，但事实上已经指向了 log.txt 的底层 struct file 对象了。
但是结果没打印出来， log.txt 里也什么都没有。

二、重定向（Redirection）

1、fflush 刷新缓冲区 

实际上并不是没有，而是没有刷新，用 fflush 刷新缓冲区后，log.txt 内就有内容了。

代码演示： 

int main(void)
{
    close(1);
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
 
    fflush(stdout);
 
    close(fd);
}

运行结果：

 

我们自己的代码中调用的就是 printf，printf 本来是往显示器打印的，

现在不往显示器打了，而是写到了文件里，它的 "方向" 似乎被改变了。

这不就是重定向吗？

2、dup2 函数

上面的一堆数据，都是内核数据结构，只有 OS 有权限，所以其必须提供对应接口，比如 dup。

除了 dup，还有有一个 dup2，后者更复杂一些，我们今天主要介绍 dum2 来进行重定向操作！

man dup2

dup2 可以让 newfd 拷贝 oldfd，如果需要可以将 newfd 先关闭。

newfd 是 oldfd 的一份拷贝，将后者 (newfd) 的内容写入前者 (oldfd)，最后只保留 oldfd。

                                                         

 

至于参数的传递，比如我们要输出重定向 (stdout) 到文件中：

我们要重定向时，本质是将里面的内容做改变，所以是要把 fd 的内容拷贝到 1 中的：

当我们最后进行输出重定向的时候，所有的内容都和 fd 的内容是一样的了。

所以参数在传递时，oldfd 是 fd，所以应该是 dum2(fd, 1);

dum2(fd, 1);  ✅
dum2(1, fd);  ❌

因为要将显示器的内容显示到文件里，所以 oldfd 就是 fd，newfd 就是 1 了。

注意事项：dum2() 接口在设计时非常地反直觉，所以在理解上特比容易乱，搞清楚原理！

 代码演示：dup2() 

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
 
int main(void)
{
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 0;
    }
 
    dup2(fd, 1);   //   fd ← 1
    fprintf(stdout, "打开文件成功，fd: %d\n", fd);
 
    // 暂时不做讲解，后面再说
    fflush(stdout);
    close(fd);
 
    return 0;
}

运行结果：

 

3、 追加重定向

追加重定向只需要将我们 open 的方式改为 O_APPEND 就行了。 

int main(void)
{
    // 追加重定向只要将我们打开文件的方式改为 O_APPEND 即可
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 0;
    }
 
    dup2(fd, 1);
 
    fprintf(stdout, "打开文件成功，fd: %d\n", fd);
 
    fflush(stdout);
    close(fd);
 
    return 0;
}

 运行结果如下：

4、输入重定向 

之前我们是如何读取键盘上的数据的？

int main(void)
{
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 0;
    }
    // 读数据
    char line[64];
    while (fgets(line, sizeof(line),stdin) != NULL) {
        printf("%s\n", line);
    }
 
    fflush(stdout);
    close(fd);
 
    return 0;
}

 现在我们使用输入重新的，说白了就是将 "以前从我们键盘上去读" 改为 "在文件中读"。

代码演示：所以我们将 open 改为 O_RDONLY，dup(fd, 0) ： 

int main(void)
{
    // 输入重定向
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 0;
    }
    
    // 将本来从键盘上读 (0)，改为从文件里读（3）
    dup2(fd, 0);
    // 读数据
    char line[64];
    while (fgets(line, sizeof(line),stdin) != NULL) {
        printf("%s\n", line);
    }
 
    fflush(stdout);
    close(fd);
 
    return 0;
}

运行结果如下：

三、缓冲区的理解（Cache） 

思考几个问题：

什么是缓冲区？为什么要有缓冲区？缓冲区在哪里？

对于缓冲区的概念，我们在 "进度条实现" 的插叙章节中有做探讨，但只是一个简单的讲解。

我们对缓冲区有一个共识，也知道它的存在，但我们还没有去深入理解它。

我们先来探讨第一个问题：

1. 什么是缓冲区？缓冲区的本质就是一段内存。
2. 为什么要有缓冲区？为了 解放使用缓冲区的进程时间。缓冲区的存在可以集中处理数据刷新，减少 IO 的次数，从而达到提高整机的效率的目的。
3. 缓冲区在哪里？我们写一段代码来感受 "缓冲区" 的存在！
    

代码演示：用 printf 和 write 各自打印一段话 

  1 #include <stdio.h>  
  2 #include <sys/stat.h>  
  3 #include <sys/types.h>  
  4 #include <unistd.h>  
  5 #include<string.h>                                                                                                                                 
  6   
  7 int main(void)                         
  8 {                                               
  9     printf("Hello printf\n");   // stdout -> 1  
 10     const char* msg = "Hello write\n";          
 11     write(1, msg, strlen(msg));         
 12                                        
 13     sleep(5);    // 休眠五秒           
 14                                        
 15     return 0;                          
 16 }     

运行结果：

 

 但是，如果我们去除 \n，我们就会发现 printf 的内容没有被立马打印，而 write 立马就出来了：

 

运行结果：

为什么sleep5s之后，才打印出hello printf？？？？

1、语言级缓冲区

首先，我们要知道：printf 内部就是封装了 write！

printf 里打印的内容 "Hello printf" 实际上是在缓冲区里的，printf 不显示的原因是没有带 \n，数据没有被立即刷新，所以 sleep 时 printf 的内容没有被显示出来。 

此时如果我们想让他刷新，可以手动加上 fflush(stdout) 刷新一下缓冲区。

至此我们说明了，printf 没有立即刷新的原因，是因为有缓冲区的存在。

可是，write 是立即刷新的！既然 printf 又封装了 write，那么缓冲区究竟在哪？

这个缓冲区一定不在 write 内部，因为如果这个缓冲区是函数内部提供的，那么直接刷新出来了。

所以这个缓冲区它只能是 C 语言提供的，该缓冲区是一个 语言级缓冲区 (语言级别的缓冲区) 。

我们再演示一次，这次选用 C 库函数 printf, fprintf 和 fputs，系统调用接口 write，观察其现象。

💬 代码演示：老样子，首先给它们都带上 \n

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(void)
{
    // 给它们都带上 \n
    printf("Hello printf\n");    // stdout -> 1
    fprintf(stdout, "Hello fprintf!\n");
    fputs("Hello fputs!\n", stdout);
 
    const char* msg = "Hello write\n";
    write(1, msg, strlen(msg));
 
    sleep(5);
 
    return 0;
}

运行结果：

代码演示：现在我们再把 \n 去掉：

运行结果：

此时结果是只有 write 内容先出，当退出时 printf, fprint, fputs 的东西才显示出来。

然而 write 无论带不带 \n 都会立马刷新，也就是说，只要 printf, fprint, fputs 调了 write 数据就一定显示。 我们继续往下深挖，stdout 的返回值是 FILE，FILE 内部有 struct，封装很多的成员属性，其中就包括 fd，还有该 FILE 对应的语言级缓冲区。

C 库函数 printf, fwrite, fputs... 都会自带缓冲区，但是 write 系统调用没有带缓冲区。

我们现在提及的缓冲区都是用户级别的缓冲区，为提高性能，OS 会提供相关的 内核级缓冲区。

库函数在系统调用的上层，是对系统调用做的封装，但是 write 没有缓冲区，这说明了：

该缓冲区是二次加上的，由 C 语言标准库提供，我们来看下 FILE 结构体：

 放到缓冲区，当数据积累到一定程度时再刷。

2、fflush 是怎么运行的？ 

如果在刷新之前关闭了 fd，会有什么问题？

int main(void)
{
    printf("Hello printf");    // stdout -> 1
    fprintf(stdout, "Hello fprintf!");
    fputs("Hello fprintf!", stdout);
 
    const char* msg = "Hello write";
    write(1, msg, strlen(msg));
    
    close(1);   // 直接把内部的文件关掉了，看你怎么刷
 
    sleep(5);
 
    return 0;
}

 运行结果：

之前的代码示例中，为了解决这个问题，我们用 fflush 冲刷缓冲区让数据 "变" 了出来：

int main(void)
{
    close(1);
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
 
    fflush(stdout);
 
    close(fd);
}

运行结果：

重定向到文件中时不用 fflush，直接调 close 文件显示不出来的原因是：数据暂存到了缓冲区。

既然缓冲区在 FILE内部，在 C 语言中，我们每一次打开一个文件，都要有一个 FILE* 会返回。

这就意味着，每一个文件都有一个 fd 和属于它自己的语言级别缓冲区。

3、缓冲区的刷新策略 

 刷新策略，即什么时候刷新，刷新策略分为常规策略 和 特殊情况。

常规策略：

• 无缓冲 (立即刷新)   
• 行缓冲 (逐行刷新)   
• 全缓冲 (缓冲区打满，再刷新)

特殊情况：

• 进程退出
• 用户强制刷新（即调用 fflush）

下面我们运行一组代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int main(void)
{
    const char* str1 = "hello printf\n";
    const char* str2 = "hello fprintf\n";
    const char* str3 = "hello fputs\n";
    const char* str4 = "hello write\n";
 
    // C 库函数
    printf(str1);
    fprintf(stdout, str2);
    fputs(str3, stdout);
 
    // 系统接口
    write(1, str4, strlen(str4));
 
    // 调用完了上面的代码，才执行的 fork
    fork();
 
    return 0;
}

运行结果如下：

到目前为止还很正常，四个接口分别输出对应的字符串，打印出 4 行，没问题。

但如果我们此时重定向，比如输入 ./myfile > log.txt，怪事就发生了！log.txt 中居然有 7 条消息：

 

解读：当我们重定向后，本来要显示到显示器的内容经过重定向显示到了文件里，

• 如果对应的是显示器文件，刷新策略就是 行刷新 
• 如果是磁盘文件，那就是 全刷新，即写满才刷新

然而这里重定向，由显示器重定向到了文件，缓冲区的刷新策略由 "行缓冲" 转变为 "全缓冲"。 

文件中有 7 条，printf 出现 2 次，fprintf 出现 2 次，fputs 出现 2 次，但是 write 只有一次，

这和缓冲区有关，因为 write 压根不受缓冲区的影响。

fork 要创建子进程，之后父子进程无论谁先退出，它们都要面临的问题是：父子进程刷新缓冲区。

 刷新的本质：把缓冲区的数据 write 到 OS 内部，清空缓冲区。

这里的 "缓冲区" 是自己的 FILE 内部维护的，属于父进程内部的数据区域。

所以当我们刷新时，代码和数据要发生写实拷贝，即父进程刷一份，子进程刷一份，

因而导致上面的现象，printf, fprintf, fputs 刷了 2 次到了 log.txt 中。
 

 还有一点点，我们下次再讲，感谢阅读！！！！！！！！！