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【看表情包学Linux】文件描述符 | 重定向 Redirection | dup2 函数 | 缓冲区的理解 (Cache)

linux运维服务器原力计划 2023-09-02 10:09:06 803人浏览 泡泡鱼
摘要

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💭 写在前面:在上一章中,我们已经把 fd 的基本原理搞清楚了。本章我们将开始探索 fd 的应用特征,探索文件描述符的分配原则。讲解重定向,上一章是如何使用 fflush 把内容变出来的,介绍 dup2 函数,追加重定向和输入重定向的知识。最后我们讲解缓冲区,研究缓冲区的刷新策略。

👻 目录

Ⅰ. 文件描述符

0x00 承上启下:文件描述符的底层理解

0x01 引入:探索引用特征

0x02 fd 的分配原则

Ⅱ. 重定向(Redirection)

0x00 引入:用 fflush 给它 “变” 出来

0x01 dup2 函数

0x02 追加重定向

0x03 输入重定向

Ⅲ. 缓冲区的理解(Cache)

0x00 引入:思考几个问题

0x01 语言级缓冲区

0x02 fflush 是怎么 “变” 的?

0x03 缓冲区的刷新策略

  本篇博客全站热榜排名:未上榜


 Ⅰ. 文件描述符

0x00 承上启下: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。

使用数组来完成映射,0,1,2,3,4,5 就是数组的下标。现在感觉不足为奇了,简直是天经地义!

我们还知道了 fopen / fclose / fread / fwrite.. 都必须得用所对应的 0,1,2,3,4,5...

用这些接口来找到对应的 struct file 结构,进而访问到底层对应的读写方法。

最终我们回答了 stdin, stdout, stderr 和 0,1,2 是一一对应关系。

现在再回过头来看这段代码,应该能有不少新的认识了:

#include #include #include #include #include #include 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);}

🚩 运行结果如下:

0x01 引入:探索引用特征

我们既然已经把原理搞清楚了,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

0x02 fd 的分配原则

现在我们不想把 0,1,2 打开了,我们直接在 open 前 close 一下玩玩?

💬 代码演示:默认把 0,1,2 打开,那我们直接 close(0) 关掉它们,扼杀在摇篮里

int main(void){    close(0);    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);}

 🚩 运行结果如下:

现在我们再把 2 关掉,close(2) 看看:

int main(void){    close(2);    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);}

🚩 运行结果如下:

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);}

🚩 运行结果如下:

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:

至于为什么没有,我们现在暂且不去讲解。但我们可以通过一种方法把它 "变出来" :

Ⅱ. 重定向(Redirection)

0x00 引入:用 fflush 给它 “变” 出来

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:fflush 刷新缓冲区

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);}

 🚩 运行结果如下:

我们自己的代码中调用的就是 printfprintf 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?

经过这段小代码,我们看到了重定向和缓冲区的身影,这些问题也是我们下面要展开讨论的内容!

本来要往显示器打印的,最终变成了向指定文件打印 → 重定向 (redirection)

如果我们要进行重定向,上层只认识 0,1,2,3,4,5 这样的 fd,我们可以在 OS 内部,通过一定的方式调整数组的特定下标的内容 (指向),我们就可以完成重定向操作!

0x01 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 dmp2

int dup2(int oldfd, int newfd);

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。

\textrm{oldfd}\leftarrow\textrm{ newfd}

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

\textrm{oldfd}:\textrm{fd}\leftarrow \textrm{newfd}:1

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!

按我们一般的理解,文件 open 后 0,1,2 是现被打开的,0,1,2 才应该是 oldfd。而后打开的 3,4,5... 应该是属于 newfd。但事实恰恰相反,0,1,2 才是 newfd,3,4,5... 反而是 old_fd,所以个人认为在命名上不是很好,容易让人掉坑。

💬 代码演示:dup2() 

#include #include #include  #include #include 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;}

🚩 运行结果如下:

 我们可以加个 ret 来接收 dum2 的结果:

int ret = dup2(fd, 1);if (ret > 0) {    close(fd);}printf("ret: %d\n", ret);

0x02 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:

0x03 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;}

🚩 运行结果如下:

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:

Ⅲ. 缓冲区的理解(Cache)

0x00 引入:思考几个问题

❓ 我们先提出三个问题: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: 什么是缓冲区?缓冲区的本质就是一段内存。

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。

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

#include #include #include #include int main(void){    printf("Hello printf\n");   // stdout -> 1    const char* msg = "Hello write\n";    write(1, msg, strlen(msg));    sleep(5);    // 休眠五秒    return 0;}

🚩 运行结果如下:

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:

int main(void){    printf("Hello printf");   // stdout -> 1    const char* msg = "Hello write";    write(1, msg, strlen(msg));    sleep(5);    return 0;}

0x01 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 printf 的内容没有被显示出来。

所以 printf 不带 \n,数据没有被立即刷新,原因是因为它有缓冲区,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?

"我拷,好寄叭怪!"

通过上述现象我们可以可以明确的是:缓冲区不一定在 write 内!

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) 。

这就意味着我们曾经谈论的缓冲区,不是内核级别的缓冲区,而是一个语言级别的缓冲区。

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 #include #include #include 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;}

🚩 运行结果如下:

💬 代码演示:现在我们再把 \0 去掉:

int main(void){    printf("Hello printf");    // stdout -> 1    fprintf(stdout, "Hello fprintf!");    fputs("Hello fputs!", stdout);    const char* msg = "Hello write";    write(1, msg, strlen(msg));    sleep(5);    return 0;}

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

(内核级缓冲区不在本章的探讨范围内,本质我们专注于用户级缓冲区)

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。

0x02 fflush 是怎么 “变” 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;}

🚩 运行结果如下:

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);}

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。

0x03 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)

下面我们来一个比较怪的问题,注意最后调用了一个 fork:

#include #include #include #include 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"。

" 当然,这和那个 fork 脱不了干系 "

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。

(最后,至于缓冲区的应用,我们会增加一个 "插叙" 章节,模拟实现一个自己封装的 C 标准库)

📌 [ 笔者 ]   王亦优📃 [ 更新 ]   2022.3.❌ [ 勘误 ]   📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限,本文有错误和不准确之处在所难免,              本人也很想知道这些错误,恳望读者批评指正!

📜 参考资料 

c++reference[EB/OL]. []. Http://www.cplusplus.com/reference/.

Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.

比特科技. linux[EB/OL]. 2021[2021.8.31 xi

来源地址:https://blog.csdn.net/weixin_50502862/article/details/129782556

--结束END--

本文标题: 【看表情包学Linux】文件描述符 | 重定向 Redirection | dup2 函数 | 缓冲区的理解 (Cache)

本文链接: https://www.lsjlt.com/news/390601.html(转载时请注明来源链接)

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