【Linux】基础IO——文件描述符：缓冲区的理解

news2024/12/23 14:41:42

上个月学校考试，进行课程复习，一直没有更新博客，现考试结束，继续保持更新，欢迎大家关注！

目录

  • 1 模仿C库自主封装简单的文件接口
  • 2 对缓冲区的理解
    • 2.1 数据刷新到磁盘的过程分析
    • 2.2 如何强制刷新内核

1 模仿C库自主封装简单的文件接口

目的：简单理解C语言是如何封装各个文件操作接口的。
1.接口实现：

#include "mystdio.h"
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <malloc.h>
#include <assert.h>

MY_FILE *my_fopen(const char *path, const char *mode)
{
    //1.识别标志位
    int flag = 0;
    if(strcmp(mode, "r") == 0) flag |= O_RDONLY;
    else if(strcmp(mode, "w") == 0) flag |= (O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC);
    else if(strcmp(mode, "a") == 0) flag |= (O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND);
    else{
        //其他模式
    }

    //2.打开文件
    mode_t m = 0666;
    int fd = 0;
    if(flag & O_CREAT) fd = open(path, flag, m);
    else fd = open(path, flag);
    if(fd < 0) return NULL;

    //3.构建MY_FILE结构体对象
    MY_FILE* mf = (MY_FILE*)malloc(sizeof(MY_FILE));
    if(mf == NULL)
    {
        close(fd);
        return NULL;
    }

    //4.初始化MY_FILE对象
    mf->fd = fd;
    mf->flags = 0;
    mf->flags |= BUFF_LINE;
    memset(mf->outputbuffer, '\0', sizeof(mf->outputbuffer));
    mf->current = 0;

    //5.返回打开的文件（MY_FILE）
    return mf;
}

int my_fflush(MY_FILE *fp)
{
    assert(fp);
    write(fp->fd, fp->outputbuffer, fp->current);
    fp->current = 0;
    return 0;
}

size_t my_fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, MY_FILE *stream)
{
    //1.缓冲区满了，就直接刷新
    if(stream->current == NUM) my_fflush(stream);

    //2.缓冲区没满，把数据拷贝进缓冲区
    size_t user_size = size * nmemb;
    size_t my_size = NUM - stream->current;

    size_t writen = 0;//实际写入的字节数
    if(my_size >= user_size)
    {
        memcpy(stream->outputbuffer + stream->current, ptr, user_size);
        //3.更新计数器字段
        stream->current += user_size;
        writen = user_size;
    }
    else
    {
        memcpy(stream->outputbuffer + stream->current, ptr, my_size);
        //3.更新计数器字段
        stream->current += my_size;
        writen = my_size;
    }

    //4.开始计划刷新
    if(stream->flags & BUFF_ALL)
    {
        if(stream->current == NUM) my_fflush(stream);
    }
    else if(stream->flags & BUFF_LINE)
    {
        if(stream->outputbuffer[stream->current - 1] == '\n') my_fflush(stream);
    }
    else
    {}

    return writen;
}

//关闭文件的时候，C会帮助我们冲刷缓冲区
int my_fclose(MY_FILE *fp)
{
    assert(fp);
    //1.冲刷缓冲区
    if(fp->current > 0) my_fflush(fp);
    //2.关闭文件
    close(fp->fd);
    //3.释放堆空间
    free(fp);
    //4.指针NULL
    fp = NULL;

    return 0;
}

2.测试代码：

#include "mystdio.h"
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define MYFILE "log.txt"

int main()
{
    MY_FILE *fp = my_fopen(MYFILE, "w");
    if(fp == NULL) return 1;
    const char *str = "hello my_write";
    int cnt = 500;
    while(cnt)
    {
        char buffer[1024];
        //snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s: %d\n", str, cnt--);
        snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s: %d", str, cnt--);
        size_t size = my_fwrite(buffer, strlen(buffer), 1, fp);
        sleep(1);
        printf("当前成功写入：%lu个字节\n", size);

        if(cnt % 5 == 0) 
        {
            my_fwrite("\n", strlen("\n"), 1, fp);
        }

    }

    my_fclose(fp);
    return 0;
}

注：测试代码分为两种情况：

  1. 写入数据时不添加\n，写5次手动在缓冲区写入一个\n，来完成一次行刷新。
  2. 写入数据时添加\n，写一次刷新一次数据。

观察运行结果，思考：
写入时存在缓冲区，先将数据写入到缓冲区中，然后再刷新到显示器，那为什么不直接将数据刷新到显示器呢？为什么要有缓冲区？
——因为可以先将数据存在缓冲区中，不发生刷新，不进行写入，也就是不进行IO，不进行系统调用，所以函数会调用的很快，数据会暂存在缓冲区中。在缓冲区中可以积压多份数据，最后统一刷新。
其本质就是一次IO可以IO多份数据，从而提高IO的的效率。

2 对缓冲区的理解

以前我们所说的的缓冲区，是指用户级别的缓冲区，由语言提供。
下面要理解一个完整的缓冲区——用户层+内核，进而引入强制刷新内核。

2.1 数据刷新到磁盘的过程分析

我们要把数据保存到磁盘文件中，至少要进行3次拷贝，下面进行解析：
当我们每次访问一个文件的时候，其实就是通过进程在访问文件，所以进程拥有对应的tesk_struct，拥有对应的文件描述符表struct file* fd_array[]（在files_struct中），拥有被打开的文件struct file，并且被打开的文件拥有自己的文件缓冲区。
并且我们平时使用的C语言，存在C标准库libc.a/so，库当中为我们提供了对应的方法（比如fwrite/fput等），并且提供的这些所有的接口，都拥有FILE*参数，这个FILE结构体对象是在我们使用open打开文件的时候库在内部为我们创建好的，我们可以理解成在库里面或者在自己的进程中（我们理解为放在库中），FILE中存在一个缓冲区，所以我们在使用库提供的接口（fwrite/fput等）时，其实是先将数据存放在这个缓冲区中，所以我们使用的比如fwrite/fput这些接口其实本质是拷贝函数，它们将我们的数据拷贝到了FILE结构体的缓冲区中，然后再结合函数的刷新策略（通过打开文件的类型以及缓冲区是否满了判断），结合OS提供的比如write系统调用接口（write中有文件描述符fd、要写入的文件缓冲区的地址），定期的将数据冲刷到文件缓冲区（前面说的被打开的文件拥有自己的缓冲区）中，所以系统调用接口write的本质也是拷贝函数！

那么C库提供的 “拷贝函数” 与系统调用接口 “拷贝函数” 有什么不同呢？

  • C库提供的拷贝函数是从用户——>语言
  • 系统调用拷贝函数是从语言——>内核

当数据到达文件缓冲区，OS就要有自己的刷新策略（所以刷新策略不止全缓冲、行缓冲、无缓冲）！OS可以将数据暂存在这个缓冲区中，以时间为单位刷新到磁盘；也可以等缓冲区满了再冲刷到磁盘；也可以判断当内存使用很紧张的时候，将数据刷新到磁盘中；也可以为了提高刷新速度，积累一定量的数据后再一次刷新。（我们平时写word，ctrl+s保存就是手动将保存在缓冲区中的数据刷新到磁盘，方式断电缓冲区中的数据丢失）
实际上OS的刷新策略要比上层用户的刷新策略复杂得多，因为OS要综合考虑的因素很多。但是总体的思想还是一样的——通过一次IO刷新更多的数据来提升刷新速度。

注：OS的刷新策略我们是不可见的。

总结： 要将数据刷新到硬件上至少要有三次拷贝：

  1. 第一次拷贝：先将数据刷新到语言库的缓冲区上
  2. 第二次拷贝：通过系统调用将数据拷贝到对应的内核当中
  3. 第三次拷贝：将数据从内存拷贝到外设

上面所讲的刷新过程图解：
在这里插入图片描述

2.2 如何强制刷新内核

例如我们在使用word的时候，ctrl+s强制刷新到外设，防止数据丢失。
所以系统也要提供接口供用户自主将数据刷新到外设。

系统提供的接口：

功能：通过文件描述符fd，将缓冲区数据刷新到外设。
接口：int fsync(int fd);

所以在实现fflush的时候，调用fsync来将数据刷新到外设：

int my_fflush(MY_FILE *fp)
{
    assert(fp);
    write(fp->fd, fp->outputbuffer, fp->current);
    fp->current = 0;

    fsync(fp->fd);
    return 0;
}

补充理解：
综上理解，当我们调用printf打印例如1245这样的数字时，其实我们打印的是字符1 2 3 4 5，即打印的是字符串，只是这些字符是连在一起的，在我们看来打印的是一串数字。但是在C程序中，12345是一个整数，但是显示的时候却打印成了字符串，所以肯定出现了一次数据格式转化，数据格式转化是printf做的（所以printf叫格式控制），它将内存的数据转换成了字符串数据。

那么printf是如何进行格式控制的呢？

  1. 先获取对应的变量x
  2. 定义缓冲区，将x转换成字符串
  3. 将字符串拷贝到stdout->buffer
  4. 集合具体的刷新策略刷新显示即可
int my_printf(const char *format, ...)
{
	//1. 先获取对应的变量x
    //2. 定义缓冲区，将x转换成字符串
	//3. 将字符串拷贝到stdout->buffer
	//4. 集合具体的刷新策略刷新显示即可
}

再比如scanf是如何进行格式控制的呢？

  1. 首先获取数据读取到stdin->buffer中
  2. 对buffer的内容进行格式化，写入到对应的变量当中

写一段伪代码进行解释：
int a, b;
scanf(“%d %d”, &a, &b); //假设输入123 456
其本质就是：

  1. 将数据读取到缓冲区中：read(0, stdin->buffer, num);
  2. 本质输入的是123 456 字符串
  3. 扫描字符串，碰到空格，字符串就被分为2个子串
  4. 分别对两个字串进行格式转换后写入即可：*ap = atoi(str1); *bp = atoi(str2);

总结：
我们在学习比如C、C++等语言的时候，所说的缓冲区概念都是由该语言提供的。

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