前言：大佬写博客给别人看，菜鸟写博客给自己看。我是菜鸟
认知1:
stdin → 标准输入 → 键盘文件
stdout → 标准输出 → 显示器文件
stderr → 标准错误 → 显示器文件
注：把显示器以及键盘看作是文件，广义的说：Linux下一切都是文件
1.系统接口的使用(open/close/write/read)
写一段简单的代码来实现一下：
#include <stdio.h> #include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/fcntl.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>int main(){int fd = open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666);if(fd < 0){perror("open");exit(1);}const char* msg = "hello kivotos\n";write(fd,msg,strlen(msg));close(fd);return 0;} #include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/fcntl.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>int main(){int fd = open("log.txt",O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");exit(1);}// const char* msg = "hello kivotos\n";// write(fd,msg,strlen(msg));char buffer[64];int n = read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);if(n>0) {buffer[n] = 0;printf("%s",buffer);}close(fd);return 0;}
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
pathname：任意路径
flag：常用的有以下几个
O_RDONLY → 只读
O_WRONLY → 只写
O_RDWR → 读写
O_CREAT → 文件不存在则创造(若路径下文件不存在，则一定要加)
O_TRUNC → 将文件中的内容删除并重写
O_APPEND → 在文件新的一行追加
mode:当创建文件时，必须要给文件赋予权限
返回值：
成功时，会返回给一个大于2的数给fd(稍后说)
失败时，返回-1
注1：O_TRUNC和O_APPEND二者只能存在其中之一
注2：flag是通过位段操作来提供对应权限的(例如a的权限是001，b的权限是010，c的权限是100，那么a|b|c 就获得了abc三个权限，a|b就只获得了ab的权限)
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
fd:需要写入文件对应的fd
buf:buf指针，指向需要写入的数据，可以是任意类型，但通常是字符数组或字节数组
count:写入数据的字节数，不需要 +1 处理(这是写入到文件中，不需要预留\0)
返回值：
成功时，返回写入的字节数大小
失败时：返回-1
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
fd：需要写读取文件对应的fd
buf：用于存储读取到的文件中的数据
count：所读取到的最大的字节数，需要做-1处理，给\0做预留
注：当我们将数据写入到文件时，不要预留\0，因为文件没有这项规定，预留\0只会造成乱码后果，而当我们读取文件中的数据时，需要预留\0，因为这是C语言的语法规定，要给字符串预留\0的位置
close(int fd);
关闭指定文件
2.文件描述符(fd)
认知2：每一个文件都是通过进程打开的
用户通过系统接口创建进程(PCB)时，PCB中包含了一个指针，该指针指向struct files_struct(文件描述符表)，该结构体中含有一个指针数组(struct file* fd_array[])，数组中不同的下标指向了不同的文件，这样就建立了映射关系。我们能够通过文件描述符找到对应的文件，再将文件缓冲区的内容拷贝出来。因此有：文件描述符 = 数组下标。系统也是通过上述方法来确定文件是由哪个进程打开的
注1：对于冯偌伊曼体系而言，文件内容是保存在磁盘上的，因此对文件内容做任何操作都必须先把文件加载(从磁盘到内存的拷贝)到内核对应的文件缓冲区当中(从磁盘拷贝到内存中，再交给CPU处理)
注2：文件(file)的属性和数据不是直接存储在file中，而是通过一个指针指向一个叫inode的数据结构中，该数据结构用于保存文件的属性，而对于数据而言，存储在内核文件缓冲区
注3：file是一个结构体，内部包含fd，以及缓冲区，当打开一个文件时，内部会自动开辟一块空间，同时提供相应fd和缓冲区
接下来我们看这样一段代码：
int main() {int fd1 = open("log1.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666);int fd2 = open("log2.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666);int fd3 = open("log3.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666);printf("%d\n",fd1);printf("%d\n",fd2);printf("%d\n",fd3);return 0; }他的运行结果为：
问：0、1、2去哪了？
答：对于操作系统而言，下标0 → 标准输入；下标1 → 标准输出；下标2 → 标准错误
正如我们在认知1中所说的，对应计算器而言，标准输入对应键盘，标准输出和标准错误对应显示器。
注：需要注意的是，下标是不变的，也就是说，0、1、2永远对应标准输入、输出、错误，
但是下标对应的文件是可以改变的，也就是说，我们可以将原先1指向显示器文件，改变为指向我们自己写的文件，这就是重定向。
3.重定向
重定向的分配原则：系统会把下标最小的且没被使用的下标作为新的fd分配给新的文件
int dup2(int oldfd, int newfd);用于重定向的函数
newfd 将被 oldfd 覆盖，如果oldfd无用，也可以通过 close 删除 oldfd
我们来看看以下代码：
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/fcntl.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h>int main() { int fd = open("log1.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666);dup2(fd,1); printf("hello kivotos\n"); return 0; }上面提过，1对应的标准输出，而对于计算器而言，默认情况下，他的标准输出(下标1)对应的文件为显示器文件，当我们执行dup2(fd,1);时，此时标准输出指向了我们自己写的文件，而printf()函数只认下标，不认你是不是显示器，所以当我们执行 printf()函数时，显示器没有任何输出，而当我们 cat log.txt 我们所创建的文件时，能够发现以下结果：
这就是所谓的输出重定向。
我们还可以实现输入重定向，代码如下：
int main()
{int fd = open("log.txt",O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");exit(1);}char buffer[64];dup2(fd,0);while(1){if(!fgets(buffer,sizeof(buffer),stdin)) break;printf("%s",buffer);}return 0;
}
可以看到代码中，我们从指定输入流读取数据，转变为从自己写的文件中读取数据并打印。
复习：
char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);
str：用于存储文件流中读取的字符串
n:读取的最大字符数，包含\0，在末尾会自动添加0
stream：指定输入流
注：
问：原先1(标准输出)指向显示器文件，当我们通过输出重定向，使得1指向别的文件时，此时显示器文件会发生什么？
答：一个文件可以被多个进程打开，当我们重定向了一个，还有其他进程也会打开当前文件，文件中一个计数器，专门用于记录当前有多少个进程打开了该文件，当计数器为0时，此时文件才会被释放掉空间。
4.操作系统对外设的访问
问：不同的外设都可以抽象成文件，例如显示器文件、键盘文件、磁盘文件等，那么操作系统是如何对不同文件进行访问的？
答：上面我们提到，用户创建进程会生成PCB，PCB内部包含一个指针指向文件描述符表，文件描述符表中又包含了一个指针数组，不同的下标对应不同的文件，其中这每个文件又是一个结构体，每个结构体中包含了指向文件属性的指针，以及指向内核文件缓冲区的指针，同时还包含了两个函数指针void(*read)(int fd,char* , int ); void(*write)(int fd,char* , int );
通过这两个指针可以找到对应外设的读写方法，从而实现操作系统对外设的访问，大致结构入下图
认知3：struct file 以及 struct file_operation被称为虚拟文件系统(VFS)，这与虚拟地址空间有着一定的类似之处，上层与下层建立映射关系，操作系统通过这种映射关系，再通过相应的读写方式进行上层对下层的访问。
认知4：对于计算机世界，任何问题都可以通过增加一层软件层来解决，越靠近上次越抽象。
想想刚才所讲的虚拟文件层，如果没有这一层，那么需要多写多少个if else 语句？大佬加了VFS一层，从而达到了屏蔽底层差异的作用。
问：怎么个屏蔽法？
答：每一个设备都对应有一个 struct device的结构体，内部包含了设备的所有属性以及数据，但是无论你底层硬件的数据是怎样的，对于操作系统而言，我只需要通过文件描述符以及驱动程序跟你建立起了映射关系后，通过调用void(*read)(int fd,char* , int ); void(*write)(int fd,char* , int ); 这两个函数指针，就能够访问对应的外设。
5.缓冲区
缓冲区分为语言层缓冲区和文件内核缓冲区，我们口中常说的缓冲区其实是语言层缓冲区。对于文件而言，文件有着自己的文件内核缓冲区，而对于用户级语言(printf/fprintf/fputs/fwirte)有着语言层缓冲区。对于语言层缓冲区而言需要在文件关闭前，通过fd+系统调用(例如write)，或者通过强制刷新(fflush(stdout))、进程退出或是刷新条件满足，才能正常显示结果。
针对刷新条件满足做三点补充：
1.立即刷新 ——无缓冲
2.缓冲区写满——全缓冲，一般用于普通文件
3.行刷新——行缓冲，一般用于显示器
语言层缓冲区的目的：减少系统调用，系统调用是有成本的，如果没有语言缓冲区，十行语句要通过十次系统调用，而有了语言缓冲区，可以先将这十行语句拷贝到语言缓冲区中，当满足一定刷新条件时，再通过系统调用，将其拷贝到文件内核缓冲区中，以达到减小成本的目的。
以显示器为例(此时的fd就是1)：用户想把"aaaa"字符串打印到显示器上，可以直接通过系统调用(write)来实现，但是一旦系统调用次数过多，会增加成本，所以得通过语言层缓冲区。具体过程是，通过(printf/fprintf/fputs/fwirte)函数，将内容拷贝到语言层缓冲区，再通过fd+系统调用，例如write(),系统通过fd找到对应文件内核缓冲区，将语言层缓冲区中的内容拷贝到文件内核缓冲区实现结果。
接下来我们看这样一串代码，如下图：
#include <iostream> #include <cstdio> #include <cstring> #include <unistd.h> #include <stdio.h> int main() {printf("hello\n");fprintf(stdout,"kivotos\n");const char* msg = "world\n";fwrite(msg,strlen(msg),1,stdout);const char* msg2 ="Sensei\n";write(1,msg2,strlen(msg2));fork();return 0; }当我们执行分别执行下述指令时，会得到两个完全不同的结果，如下图：
问：为什么右图比左图多了三行输出？
答：在分析左图和右图之前，需要先知道一个概念，那就是对于用户级语言(printf/fprintf/fputs/fwirte)，当他们没有被刷新时(或者说被系统调用时)，他们会暂存在语言层缓冲区中，而子进程同样会继承语言层缓冲区。但对于系统级函数write而言，因为他是直接拷贝到文件内核缓冲区中，所以会立即刷新，子进程无法继承，因此右图我们能够看到七条语句。左图是将结果打印在显示器上，而显示器属于行刷新，只要有\n就会刷新，因此子进程创建之前，所有语言层缓冲区中的内容都已刷新完毕，因此只有四条语句。
不妨我们验证一下，如下代码：
int main() {printf("hello\n");fprintf(stdout,"kivotos\n");const char* msg = "world";fwrite(msg,strlen(msg),1,stdout);//printf("\n");return 0; }结果如下图：
可以看到，当我们不打印\0时，显示器只显示两条，而当我们打印\0时，显示器上显示了三条。
补充：
重定向会改变刷新方式