操作系统对象与文件系统

文件描述符（fd）

指向操作系统对象的指针。将硬件设备，信息通道，系统信息等资源抽象为统一的字节流。

可以使用同一套syscall实现交互。fd(file descriptor)作为一个非负的整数索引内核资源，系统调用通过这个指针 (fd) 确定进程希望访问操作系统中的哪个对象。通过open, close, read/write, lseek, dup 管理文件描述符。

open
- p = malloc(sizeof(FileDescriptor));
close
- delete(p);
read/write
- *(p.data++);
lseek
- p.data += offset;
dup
- q = p;

API	作用对象	对内核的影响
`open`	进程 + 系统	建立 `fd` -> `file` -> `inode` 的链路
`read/write`	数据流	使用 `file->f_pos` 进行 I/O，并更新
`lseek`	元数据	仅修改 `file->f_pos`
`dup`	进程表	让多个 `fd` 共享同一个 `file` 对象
`close`	进程表	解除 `fd` 绑定，触发引用计数回收

作为一个进程视角的handler，fd的设计让进程可以只管理索引，内核只管理状态，fork之后的子进程继承了父进程管理的索引，所以复制了相同的fd表副本。文件偏移量是保存在文件实例中的，所以父子进程共享读写进度。dup也只是在同一个进程的fd表中复制了指针让两个fd指向同一个实例。open则是创建了一个新的实例，这无论是不同进程还是同一进程，只要调用 open，内核就会强制新建一个会话实例。因为实例是新的，所以它的读写状态（Offset）自然也就是独立的，互不干扰。

文件系统与设备

文件系统层级标准 (FHS) FHS

fhs

/bin：所有用户可用的基本命令。
/etc：系统的配置文件。
/var：经常变化的数据（日志、缓存）。

设备文件

真实设备：

/dev/sda (Block Device)：代表你的第一块硬盘。
/dev/tty (Character Device)：代表当前的终端设备。

虚拟设备：

/dev/null：写给它的数据会被直接丢弃（用于禁止输出），读它会立即返回 EOF。
/dev/urandom：随机数生成器。读它会产生无限的伪随机字节流。
procfs (/proc)：内核状态的窗口。全局可见的、基于文件路径的 Handler。

管道 (Pipe)

一个特殊的 “文件” (流)

由读者/写者共享
- 读口：支持 read
- 写口：支持 write

缺陷：

数据只能单向流动：从写入端流入，从读取端流出

无边界字节流：粘包问题

依赖fd:限制了通信的对象，命名管道可以解决但是引入文件路径依赖

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd[2];
    // 缺陷 1：未初始化的缓冲区，且读取后未处理字符串结束符 \0
    char buf[128]; // [!code warning]

    if (pipe(fd) == -1) {
        exit(1);
    }

    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {
        // 子进程 (Child)
        // 缺陷 2：端口管理混乱，未关闭不需要的写端 fd[1]
        read(fd[0], buf, sizeof(buf)); 
        
        // 模拟处理耗时，让竞争更明显
        // sleep(1); 
        
        write(fd[1], "Pong", 4);
    } else {
        // 父进程 (Parent)
        // 致命缺陷 3：自我竞争 (Self-Reading Race)
        write(fd[1], "Ping", 4); // [!code error]
        
        // 这里的 read 极大概率会读到上一行自己刚写入的 "Ping"
        // 而不是子进程回复的 "Pong"
        read(fd[0], buf, sizeof(buf)); // [!code error]
    }

    // 缺陷 4：父进程直接退出，未回收子进程
    return 0; // [!code warning]
}

数据竞争

这是单管道复用时的典型错误。

由于父进程的执行速度通常快于子进程的调度唤醒，发生以下时序问题：

父进程执行 write，数据存入内核缓冲区。
父进程立即执行 read。
此时子进程尚未运行，父进程读走了自己刚才写入的数据。
结果：父进程获取了错误数据，子进程因管道为空而永久阻塞。

僵尸进程

代码在结束前未调用 wait() 或 waitpid()。

当子进程退出时，内核会保留其进程描述符以便父进程获取退出状态。

若父进程不进行回收，这些残留的进程描述符将占用系统资源表，成为僵尸进程。

Tip

双管道隔离：创建两个管道分别用于 $Parent \rightarrow Child$ 和 $Child \rightarrow Parent$ 的单向通信。

关闭文件描述符：fork 后，立即在各自进程中关闭不使用的读端或写端。

协议定义：避免发送裸字符串，使用定长结构体或消息头处理数据边界。

套接字 (Socket)

内核中的通信端点，本质上仍是一个文件描述符 (fd)，但提供了更强大的跨网络通信能力。

核心特性：

数据传输：可以使用标准的 read() 和 write()，但更常用 recv() 和 send() 以支持额外的标志位控制。
连接管理：使用 close() 断开连接并释放内核资源。
多路复用：因为 Socket 提供了 fd 作为 handler，所以它可以被放入 select、poll、epoll 中统一管理，实现高效的事件驱动 I/O。