【Linux】文件的内核级缓冲区、重定向、用户级缓冲区(详解)

2025-04-29 00:00:15 1 阅读

一.文件内核级缓冲区

在一个struct file内部还要有一个数据结构-----文件的内核级缓冲区

打开文件，为我们创建struct file，与该文件的所对应的操作表函数指针集合，还要提供一个文件的内核级缓冲区

1.write写入具体操作

当我们去对一个文件写入的时候，那么是如何进行写入的呢？

比如上层调用write(3,"hello word",..),根据PCB找到file_struct,然后找到fd_array[]，然后拿到文件描述符表，找到目标3号文件，然后把字符串“hello word”，拷贝到文件内核级缓冲区，write给我们进行拷贝，file会找到ops函数指针集合中write方法，然后通过这个方法，把我们文件内核及缓冲区的内容刷新到我们对应的外设中，当然由文件内核级缓冲区刷新到外设的过程什么时候刷新是由OS自主决定的，

所有write本质是一个拷贝函数，从用户拷贝到内核，文件这些数据结构都是OS给我们提供的。

这就是我们平时写文件的时候，比如word文档的时候，已经键盘里进行输入了，为什么最后还要进行保存，保存是在干什么？写只是把数据写到文件的内核级缓冲区，保存是把内容从缓冲区刷新到外设，这个过程叫做写入！！！

补充：每个文件都有属于自己的文件操作表，都有属于自己的内核级缓冲区。

2.read读取具体操作

当我们去对一个文件写入的时候，那么是如何进行写入的呢？

上层调用read(3,buffer,...)，在读的时候本质是在做什么呢？

找到进程，找到文件描述符表，找到文件，然后他会检测当前数据是在文件内核级缓冲区内，还是在磁盘上，如果在读的时候，数据没在缓冲区里面，就会触发我们read方法，把数据从磁盘读到缓冲区里，然后read开始进行把缓冲区里的数据拷贝到buffer中。

读到缓冲区之后，才能完成拷贝，这个过程，很明显就会阻塞住，这就是我们平常调read会阻塞的原因，

最典型scanf，调用scanf时，scanf对应的外设中根本没有数据，此时调用scanf就会阻塞，当你一输入的时候，这个数据里面就被读到缓冲区里，然后上层通过read就把数据从内核拷贝到用户，本质上也是拷贝函数！！！

3.修改的具体操作

如果要进行修改文件内容的一部分，要修改的话我们进程是没办法直接对磁盘里的文件进行修改，所以要修改，第一步，把文件的相关数据加载到内核级缓冲区内，然后读到用户空间，修改完后，再写回内核级缓冲区，再刷新到外设，修改的本质也是先读取，再写入，

读取由修改都是要把数据从外设读到缓冲区内进行操作，

换言之，我们对应的文件struct file里包含文件属性，操作表，每个文件的内核级缓冲区。

所以把我们外部设备，当我们打开这个文件，如果文件里本来就有内容，OS可以自主决定什么时候把数据从内核级缓冲区刷新到外设，那可不可以自主决定提前把文件数据一部分进行预加载呢？

也就是说，还没访问到这个数据的时候，提前给预加载了，这个是可以的。

4.为什么要存在这个缓冲区呢？

因为内存的的操作非常块，外设的操作非常慢，

如果每一次写入一部分数据，都要进行一次IO访问外设，如果写一百次就要一百次IO，这样耗费的时间就特别长，而我们数据从内存拷贝到内存这个速度是特别快的，我们把一百次的数据积累到一块，统一坐刷新，这样就可以节省99次IO的时间，

所以缓冲区的存在，提高了效率！！！！

这时刷新，要是读取呢？

在OS有空闲时间的时候，在进行数据读取的时候，OS也可以自主决定把文件内一部分数据提前预加载到缓冲区里，上层在进行读取的时候，就能直接进行读取，这样就把IO的时间成本嫁接在OS空闲的时候，当OS忙的时候就可以直接从缓冲区里进行读，就不用再进行加载，这样也提高了效率。

总结：缓冲区存在的意义就是变相的提高IO的效率！！！！

我们来看看内核源代码，来看看内核级缓冲区的存在：

二.重定向

1.认识

先说一个结论：进程打开一个文件，需要给文件分配新的的文件描述符fd，fd的分配规则是，最小的没有被使用的fd！！！

我们看看正常打开几个文件，他们fd是多少：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    int fd1 = open("log.txt1",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    int fd2 = open("log.txt2",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    int fd3 = open("log.txt3",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    int fd4 = open("log.txt4",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);

    printf("fd1: %d
",fd1);
    printf("fd2: %d
",fd2);
    printf("fd3: %d
",fd3);
    printf("fd4: %d
",fd4);

    close(fd1);
    close(fd3);
    close(fd3);
    close(fd4);
    return 0;
}

正常打开文件，是从3开始依次向后，这时为什么呢？在上一篇文件说到，因为进程启动，会默认打开三个输入输出流，参考：【linux】文件描述符fd。

当我们试着把0和2号文件进行关闭，再来看看结果：
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    close(0);
    close(2);
    int fd1 = open("log.txt1",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    int fd2 = open("log.txt2",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    int fd3 = open("log.txt3",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    int fd4 = open("log.txt4",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);

    printf("fd1: %d
",fd1);
    printf("fd2: %d
",fd2);
    printf("fd3: %d
",fd3);
    printf("fd4: %d
",fd4);

    close(fd1);
    close(fd3);
    close(fd3);
    close(fd4);
    return 0;
}
这时发现文件打开就变成0 2 3 4，根据fd分配规则，最小的没有被使用，因为提前关闭了0和2，所以最小的没被使用的 fd就是0和2，从0和2开始进行分配。

那么如果把一号文件描述符关掉，结果如下：

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    close(1);
    int fd1 = open("log.txt1",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    int fd2 = open("log.txt2",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    int fd3 = open("log.txt3",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    int fd4 = open("log.txt4",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);

    printf("fd1: %d
",fd1);
    printf("fd2: %d
",fd2);
    printf("fd3: %d
",fd3);
    printf("fd4: %d
",fd4);

    close(fd1);
    close(fd3);
    close(fd3);
    close(fd4);
    return 0;
}