[ linux-系统 ] 基础IO
预备工作
文件 = 内容 + 属性
访问文件之前，都必须先打开它，因为文件在磁盘上。访问文件时是进程在访问
我们把文件内容写完了不是打开文件，把文件编译成可执行程序也不是打开文件，只有把可执行程序执行了，打开fopen才是打开文件
进程在内存中，进程中的代码加载到内存里面，由CPU来执行，CPU读取内存，进程读取文件操作，而文件又是在磁盘中，CPU不能直接访问磁盘，所以得到结论文件必须加载到内存中！
打开文件本质就是将文件(内容或属性)从磁盘加载到内存中
OS要管理加载到内存的文件，先描述在组织，在内核中，文件 = 文件的内核数据结构+文件内容
结论：我们研究打开的文件，是在研究进程和文件的关系
文件系统 ： 被打开的文件 -- 内存 没有被打开的文件 -- 磁盘
C语言的文件接口
#include<stdio.h>int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt","w");if(fp == NULL){perror("fopen");return 1;}const char* message = "hello file\n";int i = 0;while(i < 10){fputs(message,fp);i++;}fclose(fp);return 0;
}
w:如果文件里有内容先清空，再写入
a:追加
进程默认会打开三个默认输入输出流
stdin(标准输入--键盘),stdout(标准输出--显示器),stderr(标准错误--显示器)
我们用到的C文件接口，底层必须要封装对应的文件类系统调用接口
flags标志位：32bit位
O_EDONLY(只读) O_WEONLY(只写) O_EDWE(读写) O_CREAT(创建) O_APPEND(追加)
O_TRUNC(清空) 这些本质是宏，只有一个比特位为1的宏
C语言接口：fopen/fclose/fread/fwrite
系统调用接口：open/close/read/write
文件描述符fd
以下代码结果看出，open的返回值fd为3
多打印几次，发现我们的文件描述符fd是从3开始的，那0,1,2去哪里了？
进程启动时，默认打开了三个标准的输入输出流。0,1,2就被三个标准输入输出流占用了
我们用write证明一下文件描述符 1 被stdout占用了，写以下代码
调用write函数message被写到了文件描述符为1的文件中， 运行结果为message被打印在显示器中
证明了 fd=1 是 stdout . 下面代码同理：fd = 0 是 stdin
fd究竟是什么？--- "数组下标"
IO的基本过程
文件内核级缓冲区
什么是缓冲区
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
C语言中的write函数，本质是拷贝函数，从用户拷贝到内核(内核文件缓冲区)
重定向
printf是向显示器打印内容，但是我们把文件描述符1关闭了，我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了⽂件 log1.txt当中，其中，fd＝1。这种现象叫做输出重定向
原理：
printf是C库当中的IO函数，⼀般往stdout中输出，但是stdout底层访问文件的时候，找的还是fd:1,但此时，fd:1下标所表示内容，已经变成log1.txt的地址，不再是显示器文件的地址，所以，输出的任何消息都会往文件中写入，进而完成输出重定向
dup2系统调用
追加重定向
输入重定向
C库函数与系统调用的区别
看以下代码：
创建子进程后，直接运行结果发现每个接口都打印了一次
把运行结果重定向到test.txt文件中，发现C库函数打印了两次，系统调用接口打印了一次
缓冲机制差异 ：
C 标准库函数会用到 用户态缓冲区（属于 FILE 结构体内部实现）。默认情况下，向终端（stdout）输出时是行缓冲（遇到 \n 刷新），但如果重定向到文件，会变成全缓冲（满了才刷新）
系统调用 write：是 直接陷入内核 的系统调用，数据直接写入内核缓冲区（跳过用户态缓冲），不存在 “延迟缓冲” 的问题。
结合 fork 的行为分析
fork() 会复制整个进程的地址空间（包括用户态缓冲区里的内容）。执行流程是：
程序先执行 printf/fprintf/fwrite，由于重定向到文件是 “全缓冲”，数据没真正写入文件，而是存在父进程的用户态缓冲区里。
执行 fork()，此时子进程复制了父进程的地址空间（包括那些没刷新的缓冲区数据）。
父进程、子进程后续退出时，C 标准库会自动刷新缓冲区（把用户态缓冲的数据真正写入文件）。
所以：C库函数，重定向到文件中时，父子进程各有一份未刷新的缓冲区，退出时都会重新写入，所以最终文件里有两份输出， 直接运行时，按行刷新，父进程的缓冲区没有内容，子进程也没有
write 系统调用：它直接写内核缓冲区，fork 复制时不会带 “已写入内核的数据”（内核缓冲区不属于进程地址空间），所以不管有没有 fork，只会写入一次。