C++学习之系统I/O文件操作_c write o_wronly

一、进程映像
    程序是存储在磁盘上的可执行文件(二进制文件、脚本文件)
    当执行程序时，系统会自动将该文件加载到内存中，在内存中的分布情况称为进程映像
    从低地址到高地址的分区：
        text：代码段
        data：数据段
        bss：静态数据段
        heap：堆
        stack：栈，数组的话整体往下，成员往上
        environ：环境变量表
        argv：命令行参数
总结:
1、栈内存的增长方向受操作系统影响，大部分是从高地址向低地址增长，但也有些系统，例如Ubuntu就是从低地址向高地址增长*
2、如果是栈内存存储数据，数组元素的增长方向一定是从低地址向高地址
        ps -aux 查看当前所有进程的详细信息，可以查看进程号，要程序一直运行，死循环

作业：打印出每个内存段中的数据所在的地址，然后与该进程的内存信息记录文件中的地址对比
        /proc/进程号/maps

二、虚拟内存：
    1、操作系统会为每个进程分配4G虚拟内存**8个1,4096MB
    2、用户只能使用虚拟内存，不能直接使用物理内存
    3、虚拟内存要与物理内存进行映射后才能被用户使用，虚拟内存经过内核到物理内存，如果使用了没有映射的虚拟内存(段错误)就会产生段错误
    4、虚拟内存与物理内存的映射由操作系统(MMU)动态维护
    arr[10]，实际内存不一定连续
    5、虚拟内存能让系统使用更安全，不会暴露真实的物理内存地址，另一方面，操作系统可以让进程使用比实际物理内存更大的地址空间
    6、4G的虚拟内存地址分为两个部分
       [0G~3G) 用户空间
       [3G~4G) 内核空间
    7、当进程/线程运行在用户空间时称进程处于用户态，当进程/线程运行在内核空间时称进程处于内核态
    8、当进程处于内核态时，进程运行存储使用在内核空间，此时CPU可以发出任何指令，运行的代码不受任何限制，可以自由的访问任意有效的地址，也可以直接访问接口
    9、当进程处于用户态时，进程运行存储在用户空间此时被执行的代码要受到CPU很多的检查，例如用户进程只能访问自己映射过的虚拟内存
    10、所有进程的内核空间的代码数据都是映射在同一块物理内存中，由内核负责维护
    11、用户空间的代码不能直接访问内核空间的代码和数据，可以通过系统调用(API调用系统接口函数)来切换到内核态间接的访问内核、与内核交换数据

映射虚拟内存与物理内存的函数：
    sbrk/brk/mmap/munmap
    关于malloc获区虚拟内存空间的底层实现，跟libc.so版本有关
    大概逻辑：1、如果分配的内存小于128k时，调用sbrk、brk
             2、如果大于128k时，调用mmap,munmap
             注意：系统映射内存是以页(一页=4096字节)为最小单位的
             注意：sbrk、brk底层共同维护一个映射位置指针，该指针指向映射过的内存的下一个位置，或者说是未映射的内存的第一个位置
             sbrk：          
             void *sbrk(intptr_t increment);
             sbrk(4)/sbrk(-4)
             功能：通过increment参数调整映射位置指针的位置，既可以映射内存也可以取消映射
             increment：按字节为单位
                 0  获取当前指针的位置
                 >0 映射内存
                 <0 取消映射
                 返回值：该指针映射前原来的位置指针

            brk：
             int brk(void *addr);
             功能：直接使用addr地址修改映射位置指针的位置
             addr：
                >原来位置指针的位置  映射内存
                <原来位置指针的位置  取消映射
                返回值：成功0 失败-1

                int *base=sbrk(0)
                int ret=brk(base+1)
                *base=100;
                printf("%dret=%d\n",*base,ret)

                addr取消映射：brk(arr);
        注意：bbrk、brk都可以单独进行映射和取消映射的操作，但是一般习惯配合使用：sbrk负责记录映射前的位置+映射操作，brk负责取消整个映射

        练习：计算出前1000个素数，尽可能不要浪费内存

        注意mmap、munmap底层不维护任何东西
        void *mmap(void *addr,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);
        功能：映射虚拟内存与物理内存
        addr:指定要映射的虚拟内存首地址，可以手动指定,如果是NULL，则是系统自动指定
        length:映射的长度，字节为单位
        prot：映射后的权限
            PROT_EXEC 执行权限
            PROT_READ 读权限
            PORT_WRITE 写权限
                PORT_READ|PORT_WRITE 又有读又有写1 2 3
        flags:映射方式标志
            MAP_ANONYMOUS 映射到虚拟内存，而不是映射文件，会忽略fd和offset的参数
            MAP_FIXED 如果手动提供的addr无法进行映射，默认情况下会映射一个正确的地址，但加了该标志，则不会调整，直接执行失败
            MAP_SHARED 映射内存与文件内容后，如果修改内存中的数据，文件内容会随之改变
            MAP_PRIVATE 映射内存与文件内容后，如果修改内存中的数据，文件内容不会随之改变，与MAP_SHARED互斥
        fd:文件描述符，如果不映射则给0
        offset：文件的偏移位置。不用给0即可
        返回值：成功返回映射后的内存首地址，失败返回(void*)-1/0xffffffff

        int munmap(void* addr,size_t length)
        功能：取消映射
        addr:要取消映射的首地址
        length：取消的字节数
        返回值：成功0，失败-1

        注意：可以使用strace ./a.out可以大概的追踪代码底层的指向情况。sbrk底层调用了brk
        总结：1、重点是理解Linux内存管理的机制(虚拟内存)，而不是brk/sbrk/mmap/munmap的使用
              2、brk/sbrk底层维护一个虚拟内存位置指针，通过移动该指针来建立映射关系和取消映射关系
              3、mmap和munmap底层不维护任何东西，值返回一个映射后的虚拟内存地址
              4、malloc和free底层调用的是sbrk/brk或者mmap/munmap

    系统调用（系统API）
        系统调用就是操作系统提供的一些功能以函数的形式给程序员使用，但是注意虽然格式很像标准C的函数，但是它们不是
        标准C的内容，也不是真正的函数

Linux文件IO：
一切皆文件
    UNIX/Linux系统把所有的服务程序、设备都抽象成文件看待并提供了一套简单而统一的系统接口，这部分系统接口就是所谓的
    系统文件读写，简称系统IO
    如果使用的是标准C库中的文件读写函数，简称为标准IO

    文件的分类：
    普通文件     -：包括纯文本文件、二进制文件、压缩文件
    目录文件     d：必须有x权限才能进入目录
    块设备文件   b:用于存储大块数据的设备，例如硬盘
    字符设备文件 c：例如鼠标，键盘
    管道文件     p：有名管道为主，FIFO,队列
    链接文件     l：类似于Windows的快捷方式
    Socket文件   s：通常用于网络设备之间数据的连接交互

    文件操作相关的系统调用：
   文件操作相关的系统调用：
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>

    int open(const char *pathname, int flags);
    功能：打开文件
    pathname：文件的路径
    flags：文件的打开方式
         O_RDONLY   只读
         O_WRONLY   只写
         O_RDWR     读写
         O_APPEND   追加
         O_CREAT    文件不存在则创建
         O_EXCL     文件存在，配合O_CREAT则失败
         O_TRUNC    文件存在则清空打开
    返回值：文件描述符，成功返回一个非负整数，类似FILE*，代表了打开后的文件

    int open(const char *pathname,int flags,mode_t mode);
    功能：创建文件
    flags：必须为O_CREAT, mode参数就需要给
    mode：
        S_IRWXU  00700  用户   读写执行权限
        S_IRUSR  00400         读权限
        S_IWUSR  00200          写权限
        S_IXUSR  00100          执行权限
        S_IRWXG  00070  组      读写执行权限  
        S_IRGRP  00040          读权限
        S_IWGRP  00020          写权限
        S_IXGRP  00010          执行
        S_IRWXO  00007  其他用户 读写执行权限
        S_IROTH  00004          读权限
        S_IWOTH  00002          写
        S_IXOTH  00001          执行
        注意：可以直接使用八进制数表示三组权限，例如
            0644 0664 0775
    返回值：文件描述符，成功返回一个非负整数，类似FILE*，代表了打开后的文件

    int creat(const char *pathname, mode_t mode);
    功能：创建文件
    mode：同上

    试验：fopen的各种打开方式的open底层调用的参数分别是什么
        strace ./a.out

    ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
    功能：把内存中的数据写入文件中
    fd：文件描述符，open的返回值
    buf:待写入的内存首地址
    count：要写入的字节数
    返回值：成功写入的字节数

    ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
    功能：从文件中读取数据到内存中
    fd：文件描述符，open的返回值
    buf:存储数据的内存首地址
    count：想要读取的字节数
    返回值：实际读取到的字节数

    int close(int fd);
    功能：关闭文件

    注意：write、read是fwrite和fread的底层调用

    练习2：分别使用标准IO和系统IO写入一百万个整数到文件中，测试它们的速度谁更快？time ./a.out
        结论：正常情况下，标准IO比系统IO的速度更快
        原因：标准IO中有缓冲区机制，在写数据时不是每次都调用系统IO，而是把写入的数据存储在临时的缓冲区中，当缓冲区满时，才会调用一次系统IO写入数据到文件中
        而且直接使用系统IO时会频繁地切换内核态和用户态，非常耗时
        如果给系统IO增加缓冲区，它的速度一定会比标准IO快
        int buf[1024]
    
    

随机读写：
    系统IO下，每个打开的文件都有一个读写的位置指针，记录了从哪个字节开始进行读写文件，并且对文件进行读写操作时，它会自动往后移动
    当想要在任意位置进行读写文件时，可以通过改变该位置指针的位置来进行随机读写
    //标准IO
    fseek
    返回值：成功0 失败-1    借助ftell
    //系统IO
    off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
    offset:偏移值 字节为单位
    whence： 基础位置
        SEEK_SET    文件开头
        SEEK_CUR    当前位置
        SEEK_END    文件末尾
    返回值：调整后位置指针所在文件的第几个字节

    注意：当文件位置指针越过末尾后再写入数据时，越过的地方会形成"黑洞"，该段"黑洞"会计算入文件大小中，但是不占用磁盘空间

作业：
     使用系统IO实现一个带覆盖提醒的cp命令
        ./a.out dest src