【文件fd】深入理解重定向和缓冲区

news2024/12/25 15:13:48

1.重定向

1.1dup2

2.缓冲区

2.1什么是缓冲区

2.2为什么存在缓冲区

2.3缓冲区的刷新策略

2.4查看源码

3.0/1/2

3.1 0/1/2是什么&为什么存在

3.2 2和1区别

3.3 2为什么存在

1.重定向

重定向的本质：是在内核中改变文件描述符表特定下标的内容和上层无关❗、
上层不变，OS只给上层一个数字。下标也不变，主要是变文件描述符表（指针数组）元素内容。
重定向是OS系统级别的修改，struct files_struct是内核数据结构。要修改文件描述符表中元素（指针/指向）必须要OS给用户提供系统调用。

1.1dup2

man 2 dup2
int dup2(int oldfd, int newfd);
dup2可以在底层帮助完成两个文件描述符表（指针数组）的元素值拷贝。
做两个整数的拷贝（fd）本质：文件描述符表（指针数组）下标fd对应的数组元素（指针）内容的拷贝。
dup2() makes newfd be the copy of oldfd
记忆：最后只会保留oldfd，也就是要重定向的内容
>和>>二者区别是：打开的方式选项不同清空&追加 O_TRUNC&O_APPEND
重定向后没有文件描述符指向的文件会被自动关闭。一个文件有两个文件描述符指向。
struct file内部会存在int ref_count（引用技术）
文件有几个指向ref_count就是几个。为0的文件会自动关闭。
int ref_count（引用技术）：就是有多少个指针指向文件对象。图

【输出重定向>】

【追加重定向>>】

shell进程在启动的时候，就会在/dev/pts创建设备文件。（默认打开的显示器/键盘等）
若我们新打开一个窗口（终端），这个终端也是进程打开的设备文件，也会在/dev/pts目录下创建自己对应设备文件。（字符设备）Linux底下一切皆文件。
C语言编程使用printf时，默认会在当前进程所处的终端打印数据。（3号终端）
新打开的终端是2号。将数据从3号终端重定向2号终端。

2.缓冲区

2.1什么是缓冲区

所谓缓存区就是把数据临时放在一段内存空间里。

2.2为什么存在缓冲区

计算机中存在很多缓冲区，既有用户级的缓冲区，又有内核级的缓冲区。每一种缓冲区都有自己特殊的作用。注❗缓冲区存在两种益处
每一个文件都有一份自己的缓冲区❗

解耦：

内核缓存刷新到外设：用户把数据交给OS的内核缓冲区，刷新到外设都不用管了。（语言和硬件解耦了）
用户级缓存刷新到内核缓存：printf只需要把数据交给用户缓存区，不用管C语言怎么把数据刷新到内核的。（用户和系统解耦了）

提高效率（❗重点谈）提高效率是提高使用者的效率

用户printf☞用户级缓存☞内核级缓存☞外设

调用系统调用是有成本的（系统调用是需要OS配合，OS很忙的）所以少调用，效率就高。
编程语言是需要注重用户体验的，只有把用户体验服务搞好了，才会有更多的人去使用这门语言。
编程语言提供的接口，只需要把数据交给缓冲区，立刻旧可以返回。缓冲区的存在是提高使用者的效率。有缓冲区的存在，是提高printf/fprintf等接口的使用效率。
编程语言的接口使用就会比较快（因为只是写道缓存中，没有到内核），用户体验好。
使用语言提供的接口，在用户级缓存积累多次。等待OS配合一次性就刷新大量数据到内核，提高OS整体的效率。
内核级缓存存在提供使用系统调用的人的体验（因为外设硬件很慢）
语言为用户考虑，系统为语言考虑。
综上：提高使用者的效率。提高刷新IO的效率。给上层提供高效的IO体验，间接提高整体的效率。

2.3缓冲区的刷新策略

立即刷新：相当于没有缓存，还多了一次拷贝（常见），数据立即从内核同步到外设。

语言：fflush

系统：man 2 fsync

行刷新：显示器是行刷新。照顾用户的查看习惯。

全缓冲：缓冲区满了才刷新。普通文件。

特殊情况：

进程在退出时，无论是用户/内核级的缓存，系统和语言都会自动刷新。

强制刷新（ffush/fsync）

注❗：缓冲区的刷新策略和是用户级缓冲区。内核级不关心。

不同的平台对刷新的策略是不一样的