Linux中基础IO（下）
目录
理解一切皆文件
缓冲区
为什么要引⼊缓冲区机制
缓冲类型
综合理解
理解一切皆文件
我们之前老是说一切皆文件，但是没深入说过。
⾸先，在windows中是⽂件的东西，它们在linux中也是⽂件；其次⼀些在windows中不是⽂件的东 西，⽐如进程、磁盘、显⽰器、键盘这样硬件设备也被抽象成了⽂件，你可以使⽤访问⽂件的⽅法访 问它们获得信息；甚⾄管道，也是⽂件；将来我们要学习⽹络编程中的socket（套接字）这样的东西, 使⽤的接⼝跟⽂件接⼝也是⼀致的。
总之一句话，在linux中把所有的东西都抽象成文件。
在OS看来一个个硬件都是文件，访问读写硬件都是本质上都是硬件文件的访问读写。
这样做最明显的好处是，开发者仅需要使⽤⼀套API和开发⼯具，即可调取Linux系统中绝⼤部分的资源。
举个简单的例⼦，Linux中⼏乎所有读（读⽂件，读系统状态，读PIPE）的操作都可以⽤ read 函数来进⾏；⼏乎所有更改（更改⽂件，更改系统参数，写PIPE）的操作都可以⽤ 数来进⾏。
看底层代码：
struct file 中的 f_op 指针指向了⼀个 file_operations 结构体，这个结构 体中的成员除了structmodule*owner其余都是函数指针。file_operation 就是把系统调⽤和驱动程序关联起来的关键数据结构，这个结构的每⼀个成员都 对应着⼀个系统调⽤。读取 file_operation 中相应的函数指针，接着把控制权转交给函数，从⽽ 完成了Linux设备驱动程序的⼯作。
这样对硬件的读写，只需要统一通过它们的read,write函数指针方法进行访问即可！
上图中的外设，每个设备都可以有⾃⼰的read、write，但⼀定是对应着不同的操作⽅法！！但通过 struct file 下 file_operation 中的各种函数回调，让我们开发者只⽤file便可调取Linux系 统中绝⼤部分的资源！！这便是“linux下⼀切皆⽂件”的核⼼理解。
缓冲区
缓冲区是内存空间的⼀部分。也就是说，在内存空间中预留了⼀定的存储空间，这些存储空间⽤来缓 冲输⼊或输出的数据，这部分预留的空间就叫做缓冲区。缓冲区根据其对应的是输⼊设备还是输出设 备，分为输⼊缓冲区和输出缓冲区。
为什么要引⼊缓冲区机制
- 读写⽂件时，如果不会开辟对⽂件操作的缓冲区，直接通过系统调⽤对磁盘进⾏操作(读、写等)，那么 每次对⽂件进⾏⼀次读写操作时，都需要使⽤读写系统调⽤来处理此操作，即需要执⾏⼀次系统调 ⽤，执⾏⼀次系统调⽤将涉及到CPU状态的切换，即从⽤⼾空间切换到内核空间，实现进程上下⽂的 切换，这将损耗⼀定的CPU时间，频繁的磁盘访问对程序的执⾏效率造成很⼤的影响。
- 为了减少使⽤系统调⽤的次数，提⾼效率，我们就可以采⽤缓冲机制。⽐如我们从磁盘⾥取信息，可 以在磁盘⽂件进⾏操作时，可以⼀次从⽂件中读出⼤量的数据到缓冲区中，以后对这部分的访问就不 需要再使⽤系统调⽤了，等缓冲区的数据取完后再去磁盘中读取，这样就可以减少磁盘的读写次数， 再加上计算机对缓冲区的操作⼤⼤快于对磁盘的操作，故应⽤缓冲区可⼤⼤提⾼计算机的运⾏速度。
- ⼜⽐如，我们使⽤打印机打印⽂档，由于打印机的打印速度相对较慢，我们先把⽂档输出到打印机相 应的缓冲区，打印机再⾃⾏逐步打印，这时我们的CPU可以处理别的事情。可以看出，缓冲区就是⼀ 块内存区，它⽤在输⼊输出设备和CPU之间，⽤来缓存数据。它使得低速的输⼊输出设备和⾼速的 CPU能够协调⼯作，避免低速的输⼊输出设备占⽤CPU，解放出CPU，使其能够⾼效率⼯作。
我们这里说的缓冲区是用户级，语言级，C语言提供的库缓冲区。
但是OS中也有一个内核级的文件缓冲区，当利用库函数将内容写入文件时（fwrite等），写入的是C语言库缓冲区，并不是内核级的缓冲区，所以才有我们为什么有时候printf没有加\n时，打印的内容不会立马出现。
由库函数写入C语言库缓冲区的内容，然后会写入内核级的缓冲区，最终才会真正写入磁盘文件。
调用系统调用将内容写入文件，是直接写入内核级的缓冲区，所以根本不需要考虑刷新问题。
那这个C语言提供的库缓冲区是要怎么才会刷新到内核级别的缓冲区？
刷新到了内核缓冲区，最后写入到磁盘文件是由OS决定的，我们目前认为只要内容到了内核缓冲区就是写入到了磁盘文件。
缓冲类型
标准I/O提供了3种类型的缓冲区。
- 全缓冲区：这种缓冲⽅式要求填满整个缓冲区后才进⾏I/O系统调⽤操作。对于磁盘⽂件的操作通 常使⽤全缓冲的⽅式访问。（这种效率最高）
- ⾏缓冲区：在⾏缓冲情况下，当在输⼊和输出中遇到换⾏符时，标准I/O库函数将会执⾏系统调⽤ 操作。当所操作的流涉及⼀个终端时（例如标准输⼊和标准输出），使⽤⾏缓冲⽅式。因为标准 I/O库每⾏的缓冲区⻓度是固定的，所以只要填满了缓冲区，即使还没有遇到换⾏符，也会执⾏ I/O系统调⽤操作，默认⾏缓冲区的⼤⼩为1024字节（1KB）。
- ⽆缓冲区：⽆缓冲区是指标准I/O库不对字符进⾏缓存，直接调⽤系统调⽤。标准出错流stderr通 常是不带缓冲区的，这使得出错信息能够尽快地显⽰出来。
一句话，对于显示器写入，一般是行缓冲，对于磁盘普通文件写入，一般是全缓冲。
除了上述列举的默认刷新⽅式，下列特殊情况也会引发缓冲区的刷新：
- 缓冲区满时
- 强制刷新（执⾏flush语句）
- 进程退出
看代码：
理解：
我们看到是立马就能看到，且一直打印。
循环打印到显示器，是行刷新，也就是说要写满缓冲区一行（1024字节）才刷新，但是写的很快，一下就写满了1024，所以可以立马看到（也就是说立马就刷新到了内核缓冲区）。
再看代码：
理解：
现象：一直看不到打印内容。
因为打印到显示器是行刷新，只有写满了1024字节（缓冲区的一行）就刷新，每3s写入，而不是立马写入，写的很慢，所以一直看不到打印内容。
再看代码：
理解：
现象：每三秒看见打印内容。
因为打印到显示器是行刷新，本来要写满1024字节（一行）才刷新，但是加上了\n可以立马刷新，也就是说执行一次printf就刷新一次，所以可以一下看到内容。
再看：
理解：
因为打印到显示器是行刷新，但是只打印5次，肯定不满1024字节（一行），但是为什么又能在显示器上看到？因为进程退出，会自动刷新！
综合理解
1.每个文件都有一个自己的内核级缓冲区！
2.一个进程对文件去进行读写操作，毫无疑问，在内存中，有进程pcb,文件描述符表，还有一个个文件结构体（struct file），也有每个文件对应的内核级缓冲区，当进程对文件做任何操作，都必须将文件加载到对应的内核级文件缓冲区（磁盘内容到内存的拷贝），然后对文件的操作，只需要调用对应file结构体中的函数指针即可！操作完毕，就会将内核级中的文件缓冲区写回磁盘文件（这涉及文件系统知识，讲文件系统部分详说）。
3.计算机数据流动的本质就是拷贝。
看代码：
理解：
我们本来想使⽤重定向思维，让本应该打印在显⽰器上的内容写到“log.txt”⽂件中，但我们发现， 程序运⾏结束后，⽂件中并没有被写⼊内容：
这是由于我们将1号描述符重定向到磁盘⽂件后，缓冲区的刷新⽅式成为了全缓冲。⽽我们写⼊的内容 并没有填满整个缓冲区，导致并不会将缓冲区的内容刷新到磁盘⽂件中。怎么办呢？可以使⽤fflush强 制刷新下缓冲区。
还有⼀种解决⽅法，刚好可以验证⼀下stderr是不带缓冲区的，代码如下：
这种⽅式便可以将2号⽂件描述符重定向⾄⽂件，由于stderr没有缓冲区，“helloworld”不⽤fflash 就可以写⼊⽂件：
看代码：
理解：
将msg内容写入log.txt，但是并没有写入，因为fwrite将内容写入到了C语言级的缓冲区，而且是全缓冲，只写入一行肯定不会刷新（缓冲区要满才会刷新），按理来说，进程结束会刷新，但是结果却是没有写入到磁盘文件，因为在进程结束之前，调用了系统调用，将内核级的缓冲区关闭了，所以就算进程结束刷新了，也不会刷新到内核级缓冲区！所以没有写入到磁盘文件。
再看代码：
理解：
fclose并没有关闭对应文件的内核缓冲区，所以进程结束写入了磁盘文件。
所以当使用C语言库函数对文件进行读写操作时，尽量别写系统调用close。
而使用系统调用去对文件进行读写操作时，使用fclose没有影响（系统调用是直接对内核文件缓冲区进行操作的）。
使用fclose依然写入了。
再看代码：
理解：
为什么文件中的内容和直接运行的内容不一样？
直接运行，是往显示器写入，是行刷新，但是有\n，可直接刷新，而系统调用不需要经过缓冲所以从上至下依次打印。
重定向操作，是往磁盘文件写入，是全刷新，要等到缓冲区刷新完才能真正写到文件中（所以此执行到C语言库函数根本不会往文件中写入），而系统调用不需要经过缓冲（所以先看到系统调用的打印信息），然后创建子进程，子进程也会有一个log.txt文件的缓冲区（拷贝的父进程的，所以此时父子进程缓冲区的内容一摸一样），最终父子进程都退出，进程退出，缓冲区刷新（父子进程都刷新，也就是说刷新两次）。所以看到文件中的内容系统调用写入的内容只有一次，而C语言库函数写入的内容有两次。
好了我们下期见！