第十章 系统级I/O

一、I/O

1. 对于Unix系统来说，所有IO设备，如磁盘、鼠标键盘、网卡，一切皆文件。这样的一个好处就是对于任何东西的输入输出，都可以抽象为对文件的读和写操作，即I/O。
2. 既然都可以抽象为对文件的IO操作，操作系统在Unix内核上对外提供了一些Unix I/O调用，包括open、close、read、write、lseek和stat。
3. Unix I/O对于频繁读取某个IO设备一个字节的情景性能较低，因此大多数编程语言基于Unix IO提供了标准IO库，标准IO库通过缓冲区的设计解决了频繁读取磁盘效率低下的问题。

二、文件

1. 文件类型包含文本文件(linux以\n作为换行符)、二进制文件、目录、套接字(socket)、命名管道、符号链接、块设备等。
2. 当进程打开一个文件时，如果调用成功，内核返回一个描述符，这个描述符是一个非负整数。linux shell创建的每个进程开始时都有三个打开的文件：标准输入（描述符0）、标准输出（描述符1）、标准错误（描述符2）。
3. 关闭文件时，内核会释放在打开文件时创建的数据结构，并将这个文件描述符恢复到可用的描述符池中。
4. 内核用三个数据结构表示打开的文件：
   描述符表：每个进程都有自己独立的描述符表，表项的key是打开文件时内核返回的描述符fd，value执行文件表中的表项。
   文件表：被所有进程共享，表项中包含当前文件位置（读写文件时用到）、引用计数（当前被多少个描述符表引用）、一个指向v-node表的指针。
   v-node表：所有进程共享，每个表项包含文件stat结构中的大多数信息，比如文件大小、文件类型、文件最近被访问时间等。
5. 一个进程可以通过多个描述符访问多个文件，也可以通过多个描述符访问同一个文件，当访问同一个文件时，由于不同文件表的文件位置不同，因此不同文件描述符对同一个文件的读写互不影响。
6. 文件共享：父子进程共享文件，是因为子进程复制了父进程的描述符表，所以父子进程实际都指向了相同的文件表。
7. I/O重定向：底层是通过dup2(oldFd, newFd)函数实现，dup2函数会把oldFd表项复制到newFd表项。
   输出重定向：dup(4, 1)，会把原本要写到标准输出的描述符表项1指向4，因此后续输出会写到描述符4指向的文件。
   输入重定向：dup(4, 0)，描述符4会覆盖描述符0（标准输入），因此原本从标准输入读取的操作会转向从描述符4指向的文件读取。