Understanding Unix/Linux Programming-设备文件与磁盘连接的概念

　　我只是书本的搬运工，具体见《Unix/Linux编程实践教程》

　　Linux/Unix中，文件包含数据，具有属性，通过目录中的名字被标识，可以从文件中读写数据，而这种方法也被广泛应用于设备。

　　对于Unix而言，声卡、终端、鼠标和磁盘文件是同一种对象，每个设备都被当作是文件，都具有文件名、inode节点号，文件所有者、权限位集合以及最近修改时间等等。和磁盘文件相关的系统调用同样可以为其他设备服务。实际上，Unix没有其他的方法和设备通信。

　　不同Unix机器的"/dev"目录下的文件一般为设备文件。当移动鼠标并且按键时，鼠标将数据发送到系统，使得进程能够读取数据。向设备写入数据意味着什么呢？发送数据到鼠标，不会使鼠标移动，也不会使鼠标的键被按下。/dev/mouse（该文件未必存在，本人使用无线键鼠，在/dev目录下就没有mouse文件）文件不支持所有的write系统调用。当然，可以制造带发动机的鼠标，然后编写更高级的鼠标驱动程序，使系统能够接受并产生鼠标事件。

　　终端支持read和write，但是不支持lseek，考虑一下这是为什么呢？是否因为文件的读写指针是固定的？

1. 设备文件和文件大小
   常用的磁盘文件由字节组成，磁盘文件中的字节数就是文件的大小。设备文件是链接，而不是容器，设备文件的inode节点存储的是指向内核子程序的指针，而不是文件的大小和存储列表。内核中传输设备数据的子程序就是设备驱动程序。在“cp /dev/motd /dev/pts/0”这个例子中，从终端进行数据传输的代码是在设备-进程表中的编号为136的子程序。该子程序接受一个整型参数。在/dev/pts/0中，参数是0。136和0这两个数被称为设备的主设备号和从设备号。主设备号确定处理该设备的子程序，而从设备号被作为参数传输到该子程序。（书中例子与我自己实践的输出不同，毕竟实验物理机不一样）。
2. 设备文件和权限位
   每个文件都有相应的读、写和执行权限。当文件表示设备时，权限位表示什么？写入数据表示把数据发送到设备，因此权限写意味着向设备发送数据。因此读也就很好理解了，从文件获得数据。

　　在即时消息和聊天室出现之前，Unix用户通过使用命令“write”和其他终端上的用户聊天。具体的实现看书中write0.c的代码，可以看到，程序中将终端文件当做普通文件来处理。

　　设备文件和inode节点：

　　　　Unix文件系统的inode节点和数据块是如何支持设备文件这个概念的呢？目录是文件名和inode节点号的列表。目录并不能区分这些文件代表磁盘文件还是设备文件。文件类型的区别体现在inode节点号上。每个inode节点号指向inode节点表的中的一个结构体。inode节点可以是磁盘文件的，也可以是设备文件的。inode节点的类型被记录在结构体stat的成员变量st_mode的类型区域中。

　　　　磁盘文件的inode节点包含指向数据块的指针；而设备文件的inode节点指向内核子程序表的指针。主设备号用于告知从设备读取数据的那部分可执行代码的位置。

　　　　考虑一下read是如何工作的。内核首先找到文件描述符的inode节点（fd:file descriptor），该节点告诉内核文件的类型（st_mode）。如果是磁盘文件，那么内核通过访问块分配表来读取数据。而如果文件是设备文件，那么内核通过调用该设备的驱动程序的read部分来读取数据。其他操作，如close、write等等也是类似的哦。
　　设备与文件的不同之处

　　　　与磁盘文件的连接一般包含内核缓冲区。从进程到磁盘的字节先被缓冲，然后才从内核缓冲区被发送出去。与终端连接不同，进程需要尽快把终端的数据传送出去。

　　　　与终端或者调制解调器的连接也具有属性。这种连接拥有波特率、奇偶位、暂停位的个数。一般情况下，终端所输入的字符都会回显在屏幕上，但是有些时候，比如输入密码的时候，字符并不会回显。回显字符既不是键盘任务的一部分，也不是程序应该做的。回显是连接的属性，到磁盘问价的连接没有这种属性。

　　　　那么问题来了，什么是连接？

　　磁盘连接的属性

1. 缓冲
   　　文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有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。我在看书的时候查了一下百度百科，这和缓冲没有关系，但是有助于了解整个工作过程啦。
   　　书中的例子将了关闭文件访问缓冲属性的方法，说明连接并不是一个进程，而是类似于一个数据结构的东西，也许构成了所谓的文件记录表？
   
2. 自动添加模式
   　　自动添加模式的用处之一：避免竞争。
   　　考虑日志文件wtmp，如果同一时间，有A和B两人登录系统，需要在日志文件中写入登入记录。写入的过程为：
   
   1. lseek(fd , 0 , SEEK_END)
   2. write(fd , &rec , len )

　　　　　　Unix是一个时间共享系统，会产生如下结果：

1. 1. B的登录进程定位到文件末尾
   2. B的时间片用完，A的登录进程定位到文件末尾
   3. A的时间片用完，B的写入进程写入文件
   4. B的时间片用完，A的写入进程写入文件

　　　　　　这样，B的写入记录就被A的覆盖啦，这种情况就被称为竞争。

　　　　　　如何避免竞争呢？在这个特定的情况下，内核提供一个简单的方法，自动添加模式，当文件描述符的O_APPEND位开启后，每个对write的调用都会自动调用lseek将内容添加到文件末尾。

　　　　　　竞争与原子操作（atomoc operation）密切相关。lseek和write是独立的系统调用，内核随时可以打断进程，从而使后面这两个操作被中断。而当O_APPEND被置位后，内核将lseek和write组合成一个原子操作，不可分割。

　　小结

　　　　内核在磁盘和进程之间传输数据时，内核中进行这些传输工作的可执行代码有很多选项，程序可使用open和fcntl系统调用来控制这些数据传输的内部运作。