用户态与内核态 & 文件流与文件描述符简介

2023-07-26 18:11:16

用户态和内核态

程序代码的依赖和调用关系如下图所示：

Lib：标准ASCI C函数，几乎所有的平台都支持该库函数，因此依赖该库的程序可移植性好；
System Function：系统调用函数，与系统内核进行交互，不同平台具备不同的函数接口，因此可移植性较差

区分用户态和内核态主要是由于系统资源的有限性，不能无限制的随意分配给用户使用，必须由系统进行统一管理

User mode：不能直接对系统资源进行访问，如果要操作系统资源，必须转化为内核态
Kernel mode：管理系统资源，可直接对系统资源进行控制和访问

内核为用户提供了统一的API供其使用，不同的系统的API接口不同，为了便于代码的移植，出台了POSIX标准，类Unix系统（Unix、Linux、BSD、SunOS等）均支持该标准。

文件流与文件描述符

问题：

由上图我们可看到，每执行一次系统调用，都要涉及到CPU状态的切换，即从用户态切换到内核态，即从用户空间切换到内核空间，实现上下文切换的过程，会消耗相当一部分的CPU资源，因此频繁的磁盘访问对程序的执行效率将造成很大影响。
解决方案：

为了解决以上的难题，采用了缓冲区的概念，当对磁盘文件进行操作时，可一次性从磁盘文件中读出大量的数据暂放到缓冲区中，以后对这部分数据的访问就不需要再进行系统调用了；当对文件行操作后，可将处理后的数据暂存到输出缓冲区，待文件缓冲区满后，一次性写入到磁盘。

以上，数据的输入输出就像是水在流动一样，因此我们采用了流的概念。

文件流 ：

简单来说就是建立在面向对象基础上的一种抽象的处理数据的工具。在流中，定义了一些处理数据的基本操作，如读取数据，写入数据等，程序员是对流进行所有操作的，而不用关心流的另一头数据的真正流向；

文件流用结构体表示：struct FILE.

FILE的结构体又是怎么样的呢？我们可以进行查找一下：
```
  [niesh@niesh ~]$ vim /usr/include/stdio.h
```

我们看到了 stdio.h的文件中有一行：

__BEGIN_NAMESPACE_STD

 /* The opaque type of streams.  This is the definition used elsewhere.  */

 typedef struct _IO_FILE FILE;

 __END_NAMESPACE_STD

显然，FILE 是 _IO_FILE的类型替换，那么我们找一下 _IO_FILE在哪里呢？

[niesh@niesh ~]$ grep -rn "\<_IO_FILE\>" /usr/include/

/usr/include/c++/4.8.2/streambuf:178:       *  This is based on _IO_FILE, just reordered to be more consistent,

/usr/include/libio.h:145:struct _IO_jump_t;  struct _IO_FILE;

/usr/include/libio.h:163:  struct _IO_FILE *_sbuf;

/usr/include/libio.h:246:struct _IO_FILE {              //此处正解

/usr/include/libio.h:267:  struct _IO_FILE *_chain;

/usr/include/libio.h:291:  struct _IO_FILE _file;

/usr/include/libio.h:299:  struct _IO_FILE *_freeres_list;

/usr/include/libio.h:316:typedef struct _IO_FILE _IO_FILE;

/usr/include/libio.h:325:#define _IO_stdin ((_IO_FILE*)(&_IO_2_1_stdin_))

/usr/include/libio.h:326:#define _IO_stdout ((_IO_FILE*)(&_IO_2_1_stdout_))

/usr/include/libio.h:327:#define _IO_stderr ((_IO_FILE*)(&_IO_2_1_stderr_))

/usr/include/libio.h:329:extern _IO_FILE *_IO_stdin attribute_hidden;

/usr/include/libio.h:330:extern _IO_FILE *_IO_stdout attribute_hidden;

/usr/include/libio.h:331:extern _IO_FILE *_IO_stderr attribute_hidden;

/usr/include/libio.h:391:extern int __underflow (_IO_FILE *);

/usr/include/libio.h:392:extern int __uflow (_IO_FILE *);

/usr/include/libio.h:393:extern int __overflow (_IO_FILE *, int);

/usr/include/libio.h:395:extern _IO_wint_t __wunderflow (_IO_FILE *);

/usr/include/libio.h:396:extern _IO_wint_t __wuflow (_IO_FILE *);

/usr/include/libio.h:397:extern _IO_wint_t __woverflow (_IO_FILE *, _IO_wint_t);

/usr/include/libio.h:435:extern int _IO_getc (_IO_FILE *__fp);

/usr/include/libio.h:436:extern int _IO_putc (int __c, _IO_FILE *__fp);

/usr/include/libio.h:437:extern int _IO_feof (_IO_FILE *__fp) __THROW;

/usr/include/libio.h:438:extern int _IO_ferror (_IO_FILE *__fp) __THROW;

/usr/include/libio.h:440:extern int _IO_peekc_locked (_IO_FILE *__fp);

/usr/include/libio.h:446:extern void _IO_flockfile (_IO_FILE *) __THROW;

/usr/include/libio.h:447:extern void _IO_funlockfile (_IO_FILE *) __THROW;

/usr/include/libio.h:448:extern int _IO_ftrylockfile (_IO_FILE *) __THROW;

/usr/include/libio.h:465:extern int _IO_vfscanf (_IO_FILE * __restrict, const char * __restrict,

/usr/include/libio.h:467:extern int _IO_vfprintf (_IO_FILE *__restrict, const char *__restrict,

/usr/include/libio.h:469:extern _IO_ssize_t _IO_padn (_IO_FILE *, int, _IO_ssize_t);

/usr/include/libio.h:470:extern _IO_size_t _IO_sgetn (_IO_FILE *, void *, _IO_size_t);

/usr/include/libio.h:472:extern _IO_off64_t _IO_seekoff (_IO_FILE *, _IO_off64_t, int, int);

/usr/include/libio.h:473:extern _IO_off64_t _IO_seekpos (_IO_FILE *, _IO_off64_t, int);

/usr/include/libio.h:475:extern void _IO_free_backup_area (_IO_FILE *) __THROW;

/usr/include/libio.h:478:extern _IO_wint_t _IO_getwc (_IO_FILE *__fp);

/usr/include/libio.h:479:extern _IO_wint_t _IO_putwc (wchar_t __wc, _IO_FILE *__fp);

/usr/include/libio.h:480:extern int _IO_fwide (_IO_FILE *__fp, int __mode) __THROW;

/usr/include/libio.h:514:extern int _IO_vfwscanf (_IO_FILE * __restrict, const wchar_t * __restrict,

/usr/include/libio.h:516:extern int _IO_vfwprintf (_IO_FILE *__restrict, const wchar_t *__restrict,

/usr/include/libio.h:518:extern _IO_ssize_t _IO_wpadn (_IO_FILE *, wint_t, _IO_ssize_t);

/usr/include/libio.h:519:extern void _IO_free_wbackup_area (_IO_FILE *) __THROW;

/usr/include/stdio.h:44:struct _IO_FILE;

/usr/include/stdio.h:48:typedef struct _IO_FILE FILE;

/usr/include/stdio.h:64:typedef struct _IO_FILE __FILE;

/usr/include/stdio.h:168:extern struct _IO_FILE *stdin;         /* Standard input stream.  */

/usr/include/stdio.h:169:extern struct _IO_FILE *stdout;                /* Standard output stream.  */

/usr/include/stdio.h:170:extern struct _IO_FILE *stderr;                /* Standard error output stream.  */

(⊙o⊙)…，还挺多啊，不过仔细观察，发现只有 libio.h的246行是对该结构体的定义，我们打开瞅瞅！

[niesh@niesh ~]$ vim /usr/include/libio.h

struct FILE 的结构体成员如下代码所示：

    struct _IO_FILE {

      int _flags;       /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */

    #define _IO_file_flags _flags

      /* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */

      /* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */

      char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */

      char* _IO_read_end;   /* End of get area. */

      char* _IO_read_base;  /* Start of putback+get area. */

      char* _IO_write_base; /* Start of put area. */

      char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */

      char* _IO_write_end;  /* End of put area. */

      char* _IO_buf_base;   /* Start of reserve area. */

      char* _IO_buf_end;    /* End of reserve area. */

      /* The following fields are used to support backing up and undo. */

      char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */

      char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */

      char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */

      struct _IO_marker *_markers;

      struct _IO_FILE *_chain;

      int _fileno;

    #if 0

      int _blksize;

    #else

      int _flags2;

    #endif

      _IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small.  */

    #define __HAVE_COLUMN /* temporary */

      /* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */

      unsigned short _cur_column;

      signed char _vtable_offset;

      char _shortbuf[1];

      /*  char* _save_gptr;  char* _save_egptr; */

      _IO_lock_t *_lock;

    #ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE

    };

文件描述符：

每个进程，当打开一个文件后，内核会为其建立一个打开文件的数组 (数组的前三个为stdin,stdout,stderr),然后返回打开文件位于数组的索引值(下标),该所以只即为文件描述符，只要文件不关闭，用户便可以根据该描述符对文件进行访问和操作。
不同点：

文件描述符：表示为int类型的对象：如stdin对应文件描述符0，stdout对应文件描述符1;

流：表示为指向结构FILE的指针FILE* ，因此流也称为文件指针

若需要对特定设备进行控制操作，必须使用文件描述符方式，没有函数能对流进行这类操作

如果需要按照特殊的方式进行I/O操作（例如非阻塞的方式），必须使用文件描述符方式，也没有函数能对流进行这类操作。
联系：

流给用户程序提供了更高一级的(功能更强大，使用更简化)的I/O接口，它处在文件描述符方式的上层，也就是说，流函数是通过文件描述符函数来实现的。

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