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Linux 高级编程 - IO 概述


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IO 概述

这篇文章主要介绍 Linux IO 的基本知识和学习方法,掌握这些再学习 IO 操作会更加游刃有余,更加系统。

上层开发与 kenel 的关系

在学习 Linux 的 IO 操作之前,我们先来了解下上层开发和 kernel 底层的关系,也就是说上层大体上是如何调用底层的。我们以在 Linux 上开发的 C 程序为例简单介绍一下,因为这部分详细介绍很复杂,而我们开发上层只需要了解基本的过程即可,对底层有兴趣可以深入研究。

自顶向下

我们从上到下来看看一个 C 的 IO 程序是如何调用内核方法的:

Linux C App -> glibc(C 库)-> VFS(虚拟文件系统)-> kernel function(内核方法)

这只是以 C 程序为例,Linux 的 C 程序现在使用的是 GNU C Libary, glibc,但是 Linux 也支持不同的语言,通过类比可以知道,每种语言也应该都提供了相应的类库。

更加简单的理解可以说成:操作系统内核提供功能的实现,上层类库将这些实现封装成 API 库供上层调用,如果某个库需要跨平台,那么这个库的接口就需要符合一定的规则

例如标准 C 库 ANSI C 就是跨平台的,它的接口标准由国际标准化组织(ISO)制定,你在 Linux 上用 ANSI C 写的 C 程序在 Windows 上也能运行,因为 Windows 也支持 ANSI C

Linux IO 体系结构

在学习 IO 操作之前,我们也需要对 Linux 的 IO 系统有一个大致的了解,总体来说,Linux 的上层 IO 结构有下面 3 个方面:

  1. 文件系统 API:Linux 下有很多种文件系统,但是为了统一接口,Linux 提供了 VFS,我们需要学会使用 VFS 的 API
  2. 驱动和总线:提供对硬件的操作接口,需要了解
  3. 设备类型:键盘,鼠标等硬件 IO 设备,需要了解

Linux 下所有的设备都是文件,所以都可以使用文件系统的 API 来操作,一个基本的方式如下:

LinuxApp (open...) -> /dev/xxx -> VFS -> xFS -> 总线 -> 驱动 -> 硬件

这其中 VFS 提供的对多种不同的 FS 的统一接口非常重要,这使得上层 APP 只需调用统一的 API,而不用担心当前使用的是哪种文件系统:

VFS

VFS(虚拟文件系统) 是抽象在计算机中的典型应用

通用的 IO 操作

IO 操作即使是在不同的系统上也经常提供下面这些功能(不是全部):

  1. 打开,关闭文件:open,close
  2. 读,写文件:read,write
  3. 控制文件:seek 移动文件指针等

这些基本上可以说是一个 IO 系统最基本的操作,其中打开,关闭,读写都是平常的必备操作。那么 Linux 的 IO 操作有没有什么特别的地方呢?

Linux 的 IO 操作分类

Linux 的 IO 操作大致可以分为以下几类:

  1. 标准 IO:使用 ANSI C 提供的 API
  2. 底层 IO:使用 Posix C 提供的 API
  3. FS 文件系统接口:掌握访问 FS 的 API
  4. 管道及 FIFO(先入先出队列):用于进程间通信
  5. Socket:比较特殊的 IO 操作,用于网络访问
  6. 底层终端接口(tty):字符终端也是一种 IO

在 IO 阶段主要还是以标准和底层 IO 为主,其他的类别一般都在进程,网络中介绍。

Linux IO 数据结构

开发上层 Linux IO 类型的程序,你首先需要理解下面这 3 个数据结构,它们非常重要,是一切操作的核心。

1. 文件描述符 FD

对于 Linux 内核来说,一个打开的文件是一个文件描述符(File Description,FD)的引用,FD 是一个非负整数。当打开一个现存的文件或者创建一个新文件时,内核向进程返回一个文件描述符,当读写文件时,用 open 或 read 返回的文件描述符 fd 标识该文件,将其作为参数传送给 read 和 write 。

每个进程都有默认的 FD[0, 1, 2]

  1. STDIN_FILENO:标准输入,FD = 0
  2. STDOUT_FILENO:标准输出,FD = 1
  3. STDERR_FILENO:标准错误输出,FD = 2

2. File 结构

struct file 在内核中其实就代表了一个实际的文件,我们需要了解其中比较重要的字段:

struct file {
	// 文件链表指针
	struct list_head f_list;
	
	// 文件对应目录结构
	struct dentry *f_dentry;
	
	// 虚拟文件系统挂载点
	struct vfsmount *f_vfsmnt;
	
	// 文件操作函数指针
	struct file_operations *f_op;

	...

	// 文件模式
	mode_t f_mode;

	// 文件 offset
	loff_t f_pos;
};

3. Files Structure

file_struct 保存了一个进程打开的所有文件表的数据

struct file_struct {
	// 自动曾量
	atomic_t count;
	
	...
	
	// 最大文件句柄数目
	int max_fds;

	// 最大的 fd 集合容量
	int max_fdset;

	// 下一个空闲的 fs
	int next_fd;
	...
};

如何学习 IO 操作?

给你 2 个最好的免费资源:

  1. glibc 官网
  2. Linux 自带的 man 手册,例如:man 2 open

最好的方法是看 GNU 的官方文档和系统自带的 man 手册,我们已经知道 Linux C 使用的是 glibc 库,那么我们可以去 GNU 官网去查找这个库,发现它是开源的并且提供了非常好的学习文档,而 man 是 Linux 系统自带的,用起来也非常简单,例如 man 2 open 即可查看 open 函数的用法,介绍非常详细。但是市面上的那些培训机构却只会教你如何使用 API,而不教你如何查找这些 API 的学习资料,实在有些可惜。

一个函数名可能对应一个 shell 命令,当你用 man open 发现没找到函数定义时,试试 man 2 open 或者 man [n] open

如果你养成学习一种技术,首先到它的官网去查找学习资料的好习惯,那么你的进步会非常的快,相信我。因为没有比官网的资料更权威的了,那些写博客的也只不过是翻译并加上一些自己的理解,说实话当你自己看懂了那些英文文档,你就不需要看任何博客了,因为你已经找到了最好的「博客」。

如果你喜欢看英文那么你完全可以不看我之后更新的 IO 的内容,因为我的内容也是根据官网的文档自己总结的,你英文能力强,完全可以看原汁原味的资料,我更加希望你能不依赖别人而学习,一个人的进步 90 % 要靠自己,何况我自己的理解可能也不太准确呢。但是如果你的英文不太好,那么我建议你可以对照我的博客和官方文档来看,慢慢养成看英文的好习惯,受益终生。

结语

概述讲的太多就没有意义了,这篇文章主要让你对 IO 有一个基本的了解,最重要的是你要理解上层 APP 大体的执行过程如何系统的学习 IO 操作,养成看英文文档的习惯,这才是这篇文章介绍的最重要的内容,具体的 IO 操作的文章后面会有更新,敬请期待。

最后,感谢你的阅读,我们下次再见 :)

cdeveloper at 07/26/17