文件管理

文件描述符表（files_struct）

上一期我们将文件描述符讲完了，这期来讲讲文件管理中的文件描述符表，在task_struct有一个指针是指向文件描述符表的。

我们进入进入文件描述符表：

可以看到当中有很多属性，虽然这些我们都不知道，但是有一个我么是知道的，就是红框框起来的，这个我们是知道的，这个是一个文件的指针数组，这个数组的下标就是文件描述符。
我们来画一个形象的结构。

文件描述符表的结构如图所示，我们将其余属性给屏蔽了，只留下一个指向文件的指针数组，这个file的指针数组，内存存储的是文件的属性，不仅是大小和路径还有很多属性。
有了文件描述符表，进程和文件就可以通过文件描述符表来管理了。
我们先简单写一段代码：

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

这段代码输出的是3，意思就是在数组中的位置就是3，为什么呢？

原因：因为当我们运行C语言程序的时候会自动启动三个流，分别是标准输出流，标准输入流，标准错误流。这三个流分别占了数组的0,1,2这三个位置，我们可以将这三个流的文件描述符打印一下。

通过这个示例我们可以画出下面的图：

前三个是运行程序的时候默认打开的三个流，假如我们任意关闭一个会出现什么状况呢，我们打开的新的文件会去占据腾出来的那个空位吗？
代码：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{close(0);//打开文件int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);printf("fd:fileno:%d\n",fd);printf("stdin:fileno:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout:fileno:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr:fileno:%d\n",stderr->_fileno);close(fd);return 0;
}

我们提前将0对应的输入流给关掉了，可以可以看见结果，我们打开的新的文件去占据了以前的0的位置。

我们试试关闭输出流：

当我们关闭输出流的时候屏幕上是不会打印的，因为我们将输出流给关闭了，所以不会在屏幕上打印，又因为我们打开的文件占据了以前输出流数组下标对应的位置，所以不会打印在屏幕上，会打印在文件中，我们来查看一下：

可以看见文件中也没有，这里先不解释，这里其实存在一个用户级缓冲区，还没刷新到内核缓冲区当中，就将文件关闭了，所以这里不会写入到文件当中。
这里只需要强制刷新一下即可：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{close(1);//打开文件int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);printf("fd:fileno:%d\n",fd);printf("stdin:fileno:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout:fileno:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr:fileno:%d\n",stderr->_fileno);fflush(stdout);close(fd);return 0;
}

这里可以看到刷新了一下之后就会打印在文件当中。
这里就引入一个概念：重定向

重定向

重定向概念

概念：操作系统中的一种机制，用于将程序的输入或输出流从默认位置（通常是终端）改变到其他位置（如文件或设备）。它通过操作文件描述符来实现，在 Linux 和 Unix 系统中非常常见。
用一张图来表示一下文件描述符：

简单来说这就是重定向，原本1是指向标准输出流的，但是将指向改变，将1指向新的文件，这就是重定向。

重定向函数：dup2

这是一个重定向函数，我们只看dup2，


dup2这个函数的作用就是将newfd关闭，然后将oldfd指向的file用newfd指向。
我们写一段简单的代码：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);int newfd = dup2(fd,1);//重定向if(newfd == -1) perror("dup2");printf("hello dup\n");return 0;
}

可以看见没有打印到屏幕上，而是写入到了文件中。

文件的内核级缓冲区和用户级缓冲区

内核级缓冲区

我们所用的write和read都不是直接写入到文件当中或者直接写入到外设当中。
在这中间还有一个内核级缓冲区，需要经过内核级缓冲区，最后写入到外设由外设自主决定，这里画一个简图来描述一下write的过程：

当我们调用write的时候，其实是将字符串拷贝到内核级缓冲区，然后由内核自主决定是否刷新到外设当中。

read的过程：

调用read的时候其实也是先从磁盘中读入到内核级缓冲区当中，最后拷贝到文件当中。
下面是Linux原码：

用户级缓冲区

用户级缓冲区：应用程序在用户空间中为存储和操作数据而分配的内存区域。与内核级缓冲区不同，用户级缓冲区完全由用户程序控制，内核不会直接干预这些缓冲区的管理。用户级缓冲区通常用于提高应用程序的性能，避免每次 I/O 操作时都直接与操作系统或外设进行交互，从而降低性能损耗。
回到之前的问题：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{close(1);//打开文件int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);printf("fd:fileno:%d\n",fd);printf("stdin:fileno:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout:fileno:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr:fileno:%d\n",stderr->_fileno);fflush(stdout);close(fd);return 0;
}

会什么这里没有fflush就不会刷新到文件当中呢？
这里如果没有close是会打印的，或者将close换乘fclose也会刷新到文件当中。原因是因为：如果我们直接close，printf所打印的内讧还在用户级缓冲区当中，还没有刷新到文件当中，原本应该打印到屏幕上，但是1关闭了，所以重定向到文件当中，但是屏幕的刷新方式是按行刷新，也就是按照\n刷新，但是这里重定向之后就是按照文件的刷新方式来进行，也就是全刷新，等文件满了才刷新，但是这里没满所以不会刷新，所以直接close时，还没有刷新到文件当中，但是如果不close，程序退出前会自动刷新。
为什么会存在用户级缓冲区呢？

用户级缓冲区的存在是为了优化程序的 I/O 性能，减少频繁的系统调用开销，同时提高系统的响应速度和效率。

从用户级缓冲区强制刷新到内核级缓冲区叫fflush，从内核级缓冲区强制刷新到外设当中叫fsync
fsync：

总结

通过本文对文件管理及其内核级与用户级缓冲区的详细探讨，我们对操作系统中文件管理的机制有了更深刻的理解。首先，我们了解了 files_struct 的作用及其如何在内核中管理文件描述符的详细实现，掌握了文件的重定向以及文件描述符的相关操作。其次，通过对内核级缓冲区与用户级缓冲区的对比分析，我们认识到这两者在性能优化和内存管理中的关键作用，特别是在提升 I/O 性能和减少系统调用开销方面的重要性。

文件管理作为操作系统中非常核心的部分，不仅直接影响着系统资源的利用效率，也对程序的执行性能和稳定性起着至关重要的作用。通过合理管理内核级缓冲区和用户级缓冲区，操作系统能够有效地平衡性能和资源消耗，在确保数据准确性的同时提升系统的响应速度和吞吐量。

总之，深入理解操作系统中的文件管理机制，能够帮助我们更好地设计和优化应用程序，提升系统的整体效率。未来，随着操作系统的不断发展和优化，文件管理机制将会面临更多新的挑战和机遇，我们也将继续探索和学习，以应对新的技术发展。