目录

1.系统调用的打开/读/写文件操作

2.如何理解Linux底下一切皆文件

2.1设备属性

2.2设备的操作方法 

3.如何实现Linus底下一切皆文件

4.源码查看

5.系统和语言文件操作二者关系 

5.1 flags选项和C语言的"w""a"方式 二者的关系

5.2 系统的文件描述符fd和语言的FILE类型 二者的关系

5.3 封装

5.3.1 为什么要封装

5.3.2 怎样封装

6.联系&拓展

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1.系统调用的打开/读/写文件操作

• man 2 read
• man 2 write

• 读read的本质：是将内核级缓存的内容 拷贝到 用户级缓存区。

• 若内核级缓存没有内容呢❓

1. 如果没有数据，把当前进程放到磁盘设备的等待队列里面。
2. 磁盘开始加载数据到内核级缓存中。
3. 加载完毕，把进程唤醒，放入运行队列。

• 写/修改write的本质：是将用户级缓存区的内容 拷贝到 内核级缓存当中，由OS定时刷新到外设。

• 若原来内核级缓存区有内容呢❓

• 即便内核级缓存有内容，需要再写入和修改，OS都必须先把内容从磁盘读到内存缓存中

• write、read函数本质是拷贝函数

综上所述：无论读写操作，都必须在合适的时候，让OS把文件的内容读到文件缓冲区。

所以，对文件的修改是内核级的修改，不是磁盘级别。无论是全部修改完，只修改一个字节，都必须先加载到内核级缓存，在内存中修改完，由OS定期刷新到外设。

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• man 2 open

• open是在干什么❓数据什么时候被刷新到外设（不管，OS安排）❓

1. 创建文件对象struct file

2. 开辟文件缓冲区的空间，加载文件数据（延后）

3. 查询进程所对应的文件描述符表

4. 文件对象struct file的地址，填入对应的文件描述符表中（下标对应）

5. 返回文件描述符表的下标☞文件描述符

此刻就完成了，文件的打开工作。所以在应用层/用户层 读写数据，就是把应用层的数据和内核级的数据的相互交换/拷贝。

2.如何理解Linux底下一切皆文件

• 磁盘中的文件，被打开的文件，OS会在内核中创建对应的文件对象struct file，给每个文件对象分配的数组下标（文件描述符），是从3开始。3456.....
• OS默认打开设备文件，设备文件的文件描述符是0/1/2，底层是硬件，和磁盘上的普通文件不是一回事。如何理解呢硬件是文件❓
• 这些硬件被打开，也必须在内核中创建对应的struct file，才能被归类到文件描述符表中，理解硬件<->文件的问题❓本质是：Linux底下一切皆文件。
• 什么叫一切皆文件呢❓硬件也是文件。但是很明显，键盘/显示器/鼠标等是设备，不是文件。
• 站在Linux系统角度，把硬件当作文件。这是怎么做到的❓
• 0：标准输入，键盘。
• 1：标准输出，显示器。
• 2：标准错误，显示器。
• 冯诺依曼体系中，所有的设备，叫做外设，IO设备。
• 设备=设备的属性+设备的操作方法（重点先放在操作方法上）
• OS是硬件的管理者，所以OS对每一种设备做管理。（先描述在组织）
• 每一种设备在OS内核中都要存在对应的PCB☞struct device

2.1设备属性

• 设备文件struct file☞有文件的属性和指针☞指向设备的属性☞struct device
• struct device中的设备属性/类别都是一样（设备名/设备厂家等等），只是属性值是不一样的。
• struct file☞文件相关属性+设备文件相关属性struct device

 

2.2设备的操作方法 

• 每种设备都有设备各自的操作方法

• 注❗键盘没有写方法write。显示器没有读方法read。可以将设备没有的方法设置为NULL即可。
• 不同的设备的操作方法一定是不一样的❗
• 设备的操作方法，都是由驱动层来完成的。
• 驱动层：工程师来完成的，键盘工程师/显示器工程师等。
• 每种工程师要写出来访问外设的操作方法☞函数 void k_read() 
• 设备文件对象struct file里面还会包含设备操作方法的函数指针void (*read)(......) ☞函数 void k_read() 

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站在OS角度，每一个被打开的设备，都必须在OS内核中创建一个设备对应的设备文件对象struct file。（在打开这个设备的时候，就必须创建struct file)

• 属性角度：struct file里面包含一些指针☞指向设备文件相关的属性以及文件相关属性。
• 操作方法角度：struct file里面包含函数指针☞指向外设的操作方法（函数）
• 用户就不需要再考虑硬件的底层的差异。因为全抽象成 设备文件struct file结构体对象中☞struct file包含设备操作方法的函数指针void (*read)(......) 
• 虽然底层设备的操作方法（函数实现）一定都是不一样的。
• 同样不同的设备的不同操作方法（函数实现）可以抽象成一样的 返回值和参数
• 实际上抽象struct file里面的函数指针（读方法/写方法等等）
• 打开设备文件的本质：是创建了struct file后，将其中的函数指针指向这个设备的底层操作方法的函数。

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综上所述：访问一个外设，只要找到这个设备的文件，直接调用函数指针指向的函数（操作方法），既可以访问设备了。同时也获取了设备文件的属性和文件的相关属性。

• 所以，struct file可以是键盘设备文件/显示设备文件等等，也有存在内核级缓存，写和读就是内核级缓存和键盘/显示器硬件交互。（图）

• 所以，每一个被打开的文件除了拥有内核级缓存，还需要一张操作底层方法的指针表。根本不需要知道这个struct file文件代表什么。它底层都会指向各自的属性和操作方法的。（图）

3.如何实现Linus底下一切皆文件

• Linux底下一切皆文件的技术被称为：多态
• struct file可以找到不同设备的属性和操作方法。（用C语言来实现类）
• 类=属性+方法
• 用C语言实现类：C语言结构体是只能放属性不能放方法，但是可以放函数指针（相当于放方法☞指向函数）。所以属性+函数指针（指向方法）
• C语言实现的多态技术❗（图）
• 虚拟文件系统：在Linux/软件工程领域 的问题 都可以直接或间接添加软件层来解决。图

4.源码查看

【设备文件的操作方法函数指针】

【设备文件的操作方法函数】

5.系统和语言文件操作二者关系 

5.1 flags选项和C语言的"w""a"方式 二者的关系

• 在C语言中，使用的fopen/fclose等接口是库函数。

• 语言层面上学习文件时，对应的库函数接口，底层都是系统调用。只不过做了封装。

• 所有的C语言上的文件操作函数，本质底层都是对系统调用的封装 （图）

5.2 系统的文件描述符fd和语言的FILE类型 二者的关系

• 进程打开文件☞进程维护的表：文件描述符表☞下标（文件描述符）☞ struct file
• 在OS内，系统在访问文件的时候，只认文件描述符fd❗
• 如何理解C语言通过FILE*访问文件呢❓

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  C语言编程语言：没有文件描述符fd，在访问文件使用的都是文件指针FILE*

• FlLE是一个C语言提供的结构体类型。（课件最后）

• FILE在语言层面上是一个结构体。在系统层面上OS只认识文件描述符fd。

• 所以，FILE结构里面内部一定封装了文件描述符fd。文件流必须封装了文件描述符fd❗

证明FILE结构里面内部一定封装了文件描述符fd

• man 3 fwrite

• 第一个参数：缓冲区/字符串

• 第二个参数: 基本单位的大小

• 第三个参数: 写几个基本单位

• 第四个参数：往哪个文件流中写

• 返回值：实际写了多少个基本单元。

• stdin / stdout / stderr 和 0/1/2

综上所述：语言层面上学习文件时，对应的接口，底层都是系统调用。只不过做了封装

在类型上。系统底层访问文件只能用文件描述符，语言上就用结构体封装了文件描述符。图

 【stdin / stdout / stderr 和 0/1/2】

5.3 封装

5.3.1 为什么要封装

• 写代码，推荐使用语言提供的文件操作，不推荐系统调用（除非非用不可）。
• Linux/MAC/windows操作系统一定是不一样的，体现在方方面面，系统调用接口也都不一样。
• 如果在Linux上使用Linux系统调用接口写的代码，不一样能在其他操作系统上编译通过使用。
• 系统调用不具有跨平台性
• C/C++编程语言是具有可移植性，跨平台性的。
• C/C++编程语言写的代码，无论是在Linux下还是其他系统下面都可以编译通过使用。 
• 为什么要封装❓
• 所以语言都想要具有跨平台性，所有语言要对不同的平台的系统调用进行封装（图）

5.3.2 怎样封装

• 语言为什么具体跨平台性❓语言怎么做到具体跨平台性❓图
• 编程语言的源代码中的标准库☞库的设计者
• 在条件编译上 设计☞不同系统的条件下各自编译一份☞使用哪套系统就下载哪套编译完成的库即可
• 同一语言☞针对不同的平台☞具有不同的标准库☞根据不同平台系统的需求下载不同的库
• 库的底层☞不同平台系统 实现 是不同的☞但是语言会把他们封装成相同的。
• 编程语言的标准库在不同系统的底层实现上是不一样的，但是经过编程语言的封装所使用的库函数接口是一样的。所以使用哪个平台，就安装此平台的语言的标准库。所以编程语言是具有跨平台性的。

6.联系&拓展

• 打开文件就是打开一个设备（显示器），其实是终端。
• 一个进程在运行时，默认会打开三个输入输出流。
• /proc目录下是当前正在进程的pid
• /proc/pid 目录下pid的进程的所启用文件的文件描述符/可执行程序/当前工作路径等等
• 文件描述符☞终端（键盘/显示器）
• /dev/pts/4就是的终端文件。进程把/dev/pts/4设备文件打开写入，相当于往终端写入。
• 每次登录云服务器，shell是第一个进程，它就把0/1/2打开了。后面每打开一个终端，就会把shell创建的/dev/pts文件再次打开，增加新的终端对应的设备文件。
• 终端不是显示器，显示器只有一个。但是可以有很多终端。

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