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【Linux课程学习】：文件第二弹---理解一切皆文件，缓存区

news 来源：原创 2025/5/16 13:20:39

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Linux学习笔记：

https://blog.csdn.net/djdjiejsn/category_12669243.html

前言：

在本篇文章中，站在操作系统的角度看待文件，对于文件，操作系统会进行怎么样的处理。重定向，缓冲区（语言级，内核级）。

本篇重点知识点：

一.理解一切皆文件

1.1先描述，再组织

1.1.1那么管理外设，是怎么管理的呢？------先描述，再组织

1.1.2描述的结构体中，有对应的操作方法

1.2在进程角度，一切皆文件

二.文本写入和二进制文件

2.1为什么要有printf这样的函数？

2.2伟大的C语言

三.内核级缓冲区

3.1他们是如何提高效率的呢？

3.2如何看待内核级缓冲区？

3.3如何让内核级缓冲区进行刷新？

3.4如何读取，修改文件？

3.5内存块

本篇重点知识点：

1.语言级的缓冲区设计的目的是减少系统调用，以提高效率。内核级的缓冲区是为了减少与外设的交流，提高效率。这两个设计都是为了提高效率。

2.理解外部设备对于进程而言也是文件。struct file中会有操作符表（函数指针的集合），它可以屏蔽不同设备直接的操作方法。也相当于文件。理解刷新，写入缓冲区本质是拷贝。

一.理解一切皆文件

其他的文件对于进程而言是文件，这个点很好理解。但是外部设备，比如键盘，显示器，网卡……，这些外设对于进程而言也是文件，这该如何理解呢？

1.1先描述，再组织

操作系统OS对下要管理外设，对上要提供对应的接口，让用户进行操作。在系统调用这个层面，又给我封装了语言层的函数。fopen，fclose……

1.1.1那么管理外设，是怎么管理的呢？------先描述，再组织

对外部设备的描述，会定义一个结构体，里面包含这外设的类型，工作状态，id值，还有其他很多的属性。-----这样对设备进行了描述。

每一个设备都会有结构体描述起来，他们的大方向是差不多的，有很多对应的属性，比如名称。只是他们的值不一样。每个设备会串在一个链表中，那么到后面，我们对设备的管理，就到了对链表的增删查改。

每一个外设，都有自己的驱动程序，是提供设备的厂商给我们提供的。

1.1.2描述的结构体中，有对应的操作方法

Linux系统是C语言写的，C语言结构体中，不能封装方向，那么它是怎么控制对应的设备进行运作的呢？C语言中可以封装函数指针。

比如键盘有写入的函数，输出的函数。显示器也有输入的函数，也有输出的函数。但是对应键盘来说，输入函数是没有意义的，所以就设置为空。对于显示器来说，输入函数是无效的，所以也设置为空。所以这样就能保证能共用一套结构体结构。后面操作系统要进行对应的操作，也可以统一。

1.2在进程角度，一切皆文件

VFS（virtual File System Switch）:虚拟文件系统。

对于普通的文件，有对应的文件描述：struct file。里面包含文件的属性和方法。但是从上面来看，底层在进行处理以后，也是有struct file，里面包含这属性和方法，让不同的设备一同样的方式描述起来，这就和文件一样了。所以外部设备也可以理解为文件了。

我们的所以行为，全部都会被转换为进程。当进程找到对应的文件，就可以有对应的方法，该可以调用函数进行执行了。

多个设备提供的方法就是多态。

二.文本写入和二进制文件

显示器是字符设备，我们输出1234（一千两百三十四），其实是在显式器上输出了‘1’字符，‘2’字符，‘3’字符，‘4’字符。

2.1为什么要有printf这样的函数？

对于write系统调用而言，它要输出的字符串是void*类型的，它没有所谓的文本和二进制。那为什么我们还要去printf指明所对应的类型呢，比如要打印整数，我们在printf中写%d，打印浮点数%f。就能直接打印，不然直接用write时，我们先要把整数转化为字符串，才能打印。

所以printf是方便了我们用户的。

在底层是不区分文件文件和二进制文件的。字符其实有对应的ACSII码，是一个一个的二进制数字表示的字符。所以只有二进制文件。

2.2伟大的C语言

不同系统的系统调用会不一样，但是我们在写代码的时候，在不同的平台基本没有变化。不同的操作系统的底层接口是不一样的，C语言帮我们封装以后，让我们不要去担心底层，C语言在不同操作系统会有不同的处理。

提高代码的可移植性。

C语言的库：

一款语言，会实现不同操作系统的兼容，不同的操作系统的底层实现是不一样的。所以就有了语言的可移植性。这也是为了增加用户群体。

三.内核级缓冲区

在操作系统有内核级缓冲区，在语言级有语言级的缓冲区。他们两个是不同的，但是他们两个的实现的目的就是为了提高效率。

3.1他们是如何提高效率的呢？

如果每个我们每次输出都进行一次output，就会有很大的成本，他们一般设置的是行刷新，或者是当缓冲区满的时候，再刷新（fflush）。

对于显示器这样的特殊设备，一般用的是行刷新，即遇到换行就会刷新。对于其他的文件，那么可能就是当缓冲区满的时候，才会进行刷新。

3.2如何看待内核级缓冲区？

当我们调用write接口对于文件进行写入时，不是直接写到文件，而是写到文件的缓冲区。具体多久写到文件中，由操作系统决定。所以不是每使用一次write，就会进行一次IO。而是有几次，当缓冲区中的内容到达一定的数量时，才进行刷新。

语言级的缓存区差不多也是这样的设计。当我们使用printf时，不会直接把我们输出的内容直接输出到内核级缓冲区。而是把要输出的内容拷贝到FILE结构体的buf数组中。在满足一定条件的时候，才会把buf数组中的调用系统调用接口，把FILE结构体中的内容拷贝到内核级缓冲区。

内核级缓冲区多久进行IO，由操作系统决定。

3.3如何让内核级缓冲区进行刷新？

#include <unistd.h>

int fsync(int fd);

int fdatasync(int fd);

fd是文件描述符。要进行写入，这个文件肯定被打开，被打开，就肯定在文件描述符表中，fd就表示的是文件描述符表的下标。

3.4如何读取，修改文件？

上面所说的是写入，读取就是相反的过程。而修改就包含了读入和修改。

读取就包含了打开文件（如何找到文件，磁盘中的文件时如何，是文件系统的内容，在后面的文件，会进行讲解），把文件的内容加载到缓冲中，然后上层从缓冲中读取，这就形成了读取。

而修改就是先读取，然后把指定的内容进行修改以后，再进行写入就可以了。

3.5内存块

缓冲区是有内存块组成的，内存块一般是4KB。

本篇重点知识点：

一.理解一切皆文件

1.1先描述，再组织

1.1.1那么管理外设，是怎么管理的呢？------先描述，再组织

1.1.2描述的结构体中，有对应的操作方法

1.2在进程角度，一切皆文件

二.文本写入和二进制文件

2.1为什么要有printf这样的函数？

2.2伟大的C语言

三.内核级缓冲区

3.1他们是如何提高效率的呢？

3.2如何看待内核级缓冲区？

3.3如何让内核级缓冲区进行刷新？

3.4如何读取，修改文件？

3.5内存块

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