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【Linux学习笔记】理解一切皆文件实现原理和文件缓冲区

news 来源：原创 2025/7/13 5:16:45

【Linux学习笔记】理解一切皆文件实现原理和文件缓冲区

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好!上期我们讲了重定向今天我们讲的是理解一切皆文件实现原理和文件缓冲区。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋！

4.理解“—切皆文件”

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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。

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write函数来进行。

之前我们讲过，当打开一个文件时，操作系统为了管理所打开的文件，都会为这个文件创建一个file线构体，该结构体定义在/usr/src/kernels/3.10.0-1160.71.1.el7.x86_64/include/linux/fs.h下，以下展示了该结构部分我们关系的内容

struct file {...struct inode    *f_inode;    /* cached value */const struct file_operations    *f_op;...atomic_long_t    f_count;    // 表示打开文件的引用计数，如果有多个文件指针指向它，就会增加f_count的值。unsigned int    f_flags;    // 表示打开文件的权限fmode_t         f_mode;     // 设置对文件的访问模式，例如：只读，只写等。所有的标志在头文件<fcntl.h>中定义loff_t          f_pos;       // 表示当前读写文件的位置...
} __attribute__((aligned(4)));  /* lest something weird decides that 2 is OK */

值得关注的是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struct module*owner其余都是函数指针。该结构和struct file都在fs.h下。

struct file_operations {struct module *owner;loff_t (*lseek)(struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);int (*readdir)(struct file *, void *, filldir_t);unsigned int (*poll)(struct file *, struct poll_table_struct *);int (*ioctl)(struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);long (*unlocked_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long);long (*compat_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap)(struct file *, struct vm_area_struct *);// mmap 用来请求将设备内存映射到进程的地址空间。如果这个方法是 NULL，mmap 系统调用返回 -ENODEV。int (*open)(struct inode *, struct file *);// 打开一个文件int (*flush)(struct file *, fl_owner_t id);// flush 操作在进程关闭它的设备文件描述符的拷贝时调用；int (*release)(struct inode *, struct file *);// 在文件结构被释放时引用这个操作。如同 open，release 可以为 NULL。int (*fsync)(struct file *, struct dentry *, int datasync);// 用户调用来刷新任何挂着的数据。int (*aio_fsync)(struct kiocb *, int datasync);int (*fasync)(int, struct file *, int);int (*lock)(struct file *, int, struct file_lock *);// lock 方法用来实现文件加锁；加锁对常规文件是必不可少的特性，但是设备驱动几乎从不实现它。ssize_t (*readpage)(struct file *, struct page *, unsigned long, unsigned long);unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);int (*check_flags)(int);int (*flock)(struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
};

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。

介绍完相关代码，一张图总结：

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。
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5.缓冲区

5-1什么是缓冲区

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。

5-2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，即从用户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。
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5-3缓冲类型

标准I/0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。
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|/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库每行的缓冲区长度是固定的，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/0系统调用操作，默认行缓冲区的大小为1024。
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。

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；
执行flush语句;
示例如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>int main() {close(1);int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0) {perror("open");return 0;}printf("hello world: %d\n", fd);close(fd);return 0;}

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：

[hyb@VM-8-12-centos buffer]$ ./myfile
[hyb@VM-8-12-centos buffer]$ ls
log.txt  makefile  myfile  myfile.c
[hyb@VM-8-12-centos buffer]$ cat log.txt
[hyb@VM-8-12-centos buffer]$

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。

 #include <stdio.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>int main() {close(1);int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0) {perror("open");return 0;}printf("hello world: %d\n", fd);fflush(stdout);close(fd);return 0;}

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：

 #include <stdio.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>int main() {close(2);int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0) {perror("open");return 0;}perror("hello world");close(fd);return 0;}

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：

 [hyb@VM-8-12-centos buffer]$ ./myfile 
[hyb@VM-8-12-centos buffer]$ cat log.txt 
hello world: Success

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自定义glic

现在我们可以自己封装出一个fopen等库函数

头文件

定义宏表示文件打开方式权限位
定义IO_FILE结构体包含文件描述符文件打开方式
文件缓冲区字符数组缓冲区长度刷新方式
声明库函数

#pragma once#include <stdio.h>#define MAX 1024
#define NONE_FLUSH (1<<0)
#define LINE_FLUSH (1<<1)
#define FULL_FLUSH (1<<2)typedef struct IO_FILE
{int fileno;int flag;char outbuffer[MAX];int bufferlen;int flush_method;
}MyFile;MyFile *MyFopen(const char *path, const char *mode);
void MyFclose(MyFile *);
int MyFwrite(MyFile *, void *str, int len);
void MyFFlush(MyFile *);

BuyFile函数

申请IO_FILE结构体空间
初始化结构体内容 meset初始化缓冲区内容为0
返回结构体指针

static MyFile* BuyFile(int fd, int flag)
{MyFile* ret = (MyFile*)malloc(sizeof(MyFile));ret->fileno = fd;ret->flag = flag;ret->bufferlen = 0;ret->flush_method = LINE_FLUSH;memset(ret->outbuffer, 0, sizeof(ret->outbuffer));return ret;
}

MyFopen函数

定义文件描述符fd和打开方式
根据打开方式参数mode分流设置对应的打开方式
调用open系统调用打开path文件 BuyFile申请IO_FILE结构体
申请缓冲区返回BuyFile的指针

MyFile* MyFopen(const char* path, const char* mode)
{int fd = -1;int flag = 0;if (strcmp(mode, "w") == 0){flag = O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC;fd = open(path, flag, 0666);}else if (strcmp(mode, "a") == 0){flag = O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND;fd = open(path, flag, 0666);}else if (strcmp(mode, "r") == 0){flag = O_RDONLY;fd = open(path, flag);}else{}if (fd < 0){return NULL;}return BuyFile(fd, flag);
}

MyFclose函数

判断文件描述符合法性调用MyFFlush刷新文件缓冲区
调用close关闭文件 free释放IO_FILE结构体

void MyFclose(MyFile* file)
{if (file->fileno 《》 0){return;}MyFFlush(file);MyFclose(file);free(file);
}

MyFwrite函数

memcpy拷贝内容到缓冲区更新缓冲区长度
判断如果刷新方式为行刷新并且最后缓冲区最后一个字符为\n
调用MyFFlush刷新缓冲区

int MyFwrite(MyFile* file, void* str, int len)
{memcpy(file->outbuffer + file->bufferlen, str, len);file->bufferlen += len;printf("%d->\n", file->bufferlen);if ((file->flush_method & LINE_FLUSH) && file->outbuffer[file->bufferlen - 1] == '\n'){MyFFlush(file);}return 0;
}

MyFFlush函数

如果缓冲区为空不刷新
调用write刷新到文件缓冲区
文件缓冲区是否刷新到文件有操作系统决定
如果一定要刷新到文件中可以使用fsync强制刷新然后缓冲区长度为0；

void MyFFlush(MyFile* file)
{if (file->bufferlen <= 0){return;}int n = write(file->fileno, file->outbuffer, file->bufferlen);//强制刷新fsync(file->fileno);file->bufferlen = 0;
}