为什么 Unix 一切皆文件的设计这么成功，而 C++ 统一的流式 IO 则不甚成功？

要理解为什么 Unix 的“一切皆文件”原则如此成功，而 C++ 的流式 IO 相对来说则没那么“成功”，我们需要深入剖析它们的设计理念、适用场景以及它们所带来的实际影响。这不是一个简单的技术对比，更像是一个关于哲学、工程和现实世界妥协的故事。

Unix 的“一切皆文件”：一种简洁而强大的哲学

Unix 的“一切皆文件”设计，并非字面意义上的将所有东西都变成磁盘上的文件。更准确地说，它是一种将各种系统资源（如硬件设备、进程间通信管道、网络连接、甚至是内存映射等）都统一抽象成文件描述符（file descriptor）的操作接口。这个抽象层极其精妙，它的成功之处体现在以下几个方面：

1. 统一的接口，极简的协议：
核心操作的普适性： Unix 定义了一套非常有限但极其强大的文件操作集合，如 `open`（打开）、`read`（读取）、`write`（写入）、`close`（关闭）、`lseek`（定位）等。这些操作适用于所有被视为“文件”的资源。这意味着，一旦你学会了如何读取一个普通文件，你几乎就掌握了如何与设备（如终端、打印机）、管道等进行交互。
隐藏底层复杂性： 底层硬件设备、网络协议的实现是何等复杂，但在用户态的程序看来，它们都只是一个文件描述符。比如，向终端写入字符和向文件写入字符的系统调用是一样的。这种抽象层极大地简化了程序开发。
管道和重定向的基石： 正是因为各种资源都可以通过文件描述符来访问，Unix 的 shell 才能够如此强大。管道 (`|`) 就是将一个程序的标准输出（一个文件描述符）连接到另一个程序的标准输入（另一个文件描述符）。重定向 (`>`) 则是将程序的输出导向一个文件。这些操作在其他操作系统上可能需要更复杂的API或者根本无法实现。

2. 模块化和可组合性：
构建块思维： Unix 工具的设计遵循“做好一件事，然后把它组合起来”的原则。通过文件接口，这些工具可以非常容易地相互连接和协作。一个简单的文本处理工具，可以通过管道连接到网络通信工具，再通过重定向输出到日志文件。
独立演进： 对特定资源的驱动程序的开发，可以独立于应用程序的开发。只要驱动程序遵循了文件描述符接口，应用程序就可以无感知地使用它。

3. 效率和性能：
内核态的优化： Unix 的文件 IO 操作大多在内核态完成，这意味着数据在用户空间和内核空间之间传输的次数被最小化。一旦文件描述符被创建，后续的读写操作就非常高效。
缓冲和缓存： 内核对文件系统进行高效的读写缓冲和页面缓存，进一步提升了性能。

4. 概念的优雅和哲学上的吸引力：
“万物皆有理可循”： 将看似不相关的系统资源统一到“文件”这个概念下，提供了一种高度的抽象和统一性，这对于开发者来说是一种强大的心智模型。它赋予了开发者一种控制和操纵整个系统的能力。

C++ 流式 IO：一种面向对象，但有其局限性的模型

C++ 的流式 IO（`iostream` 库，如 `cin`, `cout`, `fstream`）是 C++ 标准库的核心部分，它提供了一个面向对象的抽象，用于处理数据输入和输出。它的设计也相当精巧，并且在很多场景下表现出色，但为什么说它“不甚成功”呢？这更多的是在与 Unix 的“一切皆文件”哲学对比时，其局限性才显得突出。

1. 面向对象的抽象，类型安全：
类和对象的封装： `iostream` 将输入输出封装在 `istream` 和 `ostream` 等类中，并通过成员函数（如 `<<`, `>>` 操作符）来提供接口。这带来了良好的封装性和类型安全性。
内置类型支持： 它为内置数据类型提供了非常友好的输入输出格式化支持，例如 `int`, `float`, `string` 等。

2. 扩展性和灵活性：
自定义流： C++ 允许用户通过继承 `ostream` 或 `istream` 来创建自定义的流对象，从而支持新的数据类型或输出设备。
流插入/提取符重载： 通过重载 `<<` 和 `>>` 操作符，可以为自定义类提供方便的 IO 操作。

那么，为什么这种看起来很不错的模型，在某些方面不如 Unix 的“一切皆文件”呢？

1. 抽象层级的不同与兼容性问题：
不完全等价于文件描述符： C++ 的 `iostream` 主要面向数据流本身的抽象，而不是资源句柄的抽象。虽然 `fstream` 可以与文件系统关联，但 `iostream` 的基本接口（如 `<<`, `>>`）并不直接对应底层的系统调用（如 `read`, `write`）。
兼容性挑战： 要将 C++ 流式 IO 与 Unix 中其他非标准文件的资源（如管道、socket、设备）无缝集成，往往需要额外的适配层。例如，将一个 `std::ostream` 对象与一个网络 socket 直接绑定，需要一些额外的包装，而 Unix 的文件描述符本身就能直接用于 socket 操作。
二进制与文本模式的模糊： `iostream` 在处理二进制和文本模式时，有时会引入一些微妙的转换，这可能导致在处理纯二进制数据时出现意想不到的行为，而 Unix 的 `read`/`write` 是非常明确的字节流操作。

2. 性能开销：
面向对象的开销： 相比于直接的系统调用，面向对象的 `iostream` 在封装和重载过程中可能引入一些函数调用和虚函数调用的开销。虽然现代编译器会进行很多优化，但在对性能要求极致的场景下，这种差异可能会被放大。
缓冲区管理： `iostream` 内部有自己的缓冲区管理机制，这在大多数情况下是优点，因为它减少了底层 IO 的次数。但在某些需要精确控制 IO 行为的场景下，这种自动的缓冲行为可能不如直接控制文件描述符灵活。

3. 与 Unix 哲学的不兼容性：
管道和重定向的隔阂： Unix Shell 强大的管道和重定向功能是建立在统一的文件描述符接口之上的。C++ 的 `iostream` 要想融入这个生态，就需要将它的流对象“桥接”到文件描述符上。例如，重定向 `std::cout` 到一个 socket，需要一个特殊的流类来包装 socket 的文件描述符。
低级控制的缺失： `iostream` 并没有提供像 `lseek` 这样的精细文件定位能力，这使得它在某些需要随机访问或者对文件结构有深入了解的场景下（例如，处理数据库文件或特定的文件格式）不如直接操作文件描述符来得方便高效。

4. 概念上的耦合：
流与数据格式的紧密耦合： `iostream` 的操作符 `<<` 和 `>>` 不仅负责数据的传输，还负责数据的格式化。这使得流与数据类型和表现形式绑定得更紧密。在 Unix 模型中，你可以用 `cat` 命令直接输出原始字节，也可以用 `od` 或 `hexdump` 来解析这些字节，分离了传输和解释。

总结一下对比：

Unix “一切皆文件”： 是一种资源抽象，核心在于提供统一的操作接口（文件描述符）。它强大在于其极简性、通用性、模块化和与 shell 的无缝集成，能够让不同功能的程序通过标准化的方式协作。它强调的是操作的统一。
C++ 流式 IO： 是一种数据流抽象，核心在于提供面向对象、类型安全的数据格式化和传输接口。它强大在于其易用性、对内置类型的良好支持以及可扩展性。它强调的是数据处理的统一和便利。

Unix 的成功之处在于它提供了一个底层、通用的构建平台，几乎所有系统资源都可以通过它来控制。C++ 的流式 IO 则是建立在这个平台之上的一个应用层抽象，它旨在让数据处理更方便、更安全。

当我们在讨论“成功”时，需要明确是在哪个层面上。在操作系统设计、系统工具构建和跨进程/系统资源交互方面，“一切皆文件”的哲学无疑是成功的典范。而在 C++ 语言内部，为用户提供一种方便、安全的输入输出方式，`iostream` 也是非常成功的。

然而，当 C++ 的 `iostream` 被寄予厚望，希望它能像 Unix 文件描述符一样，成为连接各种系统资源（包括非标准文件）的通用接口时，它就显得不够“成功”了，因为它本身的抽象层级和设计目标与 Unix 的文件描述符是不同的，前者更侧重数据格式化，后者更侧重资源句柄和系统调用。这并非 C++ 流式 IO 的设计错误，而是在不同设计哲学下的必然结果。如果你想要在 C++ 中享受到 Unix 那种“一切皆文件”的便利，通常需要更底层的库（如 C 语言提供的文件描述符操作）或者结合一些第三方库来桥接。

网友意见

一切皆文件的设计，也就是在PC/服务器市场的的类Unix操作系统里设计的比较成功。个人用户里，Windows就不是这样的设计，你能说Windows不成功吗？

一切皆文件，其实就是把操作系统的设备/资源接口统一化，但并不代表统一化，就一定需要一切皆文件。

况且，接口统一化，仅仅是对操作系统驱动、底层应用开发有帮助，并不代表接口统一化一定没缺点。

一切皆文件，会导致操作系统内核的尺寸变大（文件系统本身接口过于庞大），为了适配文件系统接口，不管什么类型的驱动，都要做成面向文件的操作，有可能导致原本很简单的驱动，设计变得复杂。对于CPU比较弱，存储比较少的设备来说，接口统一化可以说是一个缺点（为了统一接口做额外工作），而不是优点。

很多嵌入式操作系统，并不是按照一切皆文件的思路设计的。嵌入式系统，甚至连基本的文件系统操作都可以剪裁掉，此时一切皆文件就并不适用了。

况且，Linux里也有一堆并不使用文件接口访问的设备和框架。

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再说C++的流式IO问题：

操作系统要搞接口统一，是因为硬件种类和驱动类型太多，对于驱动和应用开发不方便，是为了解决问题而提出的设计。驱动开发，希望有一个统一的接口。把不同的东西统一化。

流式IO的应用场景，是应用开发，应用开发的最大特点是需求多样化，但流式IO并没有用一个接口做更多不同的事情，相反，它限制了应用的功能，这种设计显然是不成功的。

很简单：

一切皆文件是底层设计思想，是把复杂问题简单化，从而写出“明显不可能错”的代码。

而C++的流式IO是强行统一高层接口，是把简单问题复杂化，因此不得不实现的极为复杂笨重，和C/C++库一贯轻灵极简的风格格格不入。

打个比方的话，“一切皆文件”相当于标准化发动机，一切（动力输出）皆旋转，转速扭矩一匹配，随便蒸汽机汽油机还是电动机，拿来都能用。

而流式IO则是“操控界面旋转化”：转向？拧！挂挡？拧！加大油门？拧！刹车？拧！离合？拧！鸣笛？拧！

你看，的确能做到“一切皆拧”，但这种拧是无意义的，不符合人体工学的；而且加大了设计难度，复杂化了刹车/离合的内部结构，降低了可靠性。

那么，为什么同样是“一切皆XX”系列的抽象，一个极度成功另一个却惨遭失败呢？

很简单，一个抽象在“根”上，一个抽象在“梢”上。

一切皆文件抓住的是“计算机里的所有操作其实都是图灵机里的喂纸带”这个根本，于是拿“一切皆文件（IO）”做了个概括；那么将来使用时就不需要一边考虑“这个设备的工作原理/控制原理”，一边纠结“它的接口风格可能是什么样子”（比如需不需要先prepareDev/InitialDev然后设置缓冲区的接口是setBuf/setCache/useMemory呢还是其它）——很简单，全都是文件风格的操作界面，有无缓冲区用字符设备/块设备区分；只是随着设备不同，同样写点东西进去动作不同（这个得查设备手册，没人能保证连这个都统一了）。

这不就是多态吗？

你看，思维负担一下子砍下去一半，多轻松。

但流式IO呢？你见过用流式IO操控设备的吗？

当然不能。因为操控设备要发命令字，做成流式IO就麻烦了。fopen然后fwrite直接写端口多方便，对吧。

它统一的是什么呢？

没错，程序内部产生的各种信息的（文件）读写/写屏/读键盘输入等操作。

可这个领域，不正是最需要百花齐放的地方吗？你怎么统一它？

我搞了个文件数据库，改写某条记录；过去fseek到这条记录然后fwrite，多清晰多简洁；现在呢？没错，能支持，我知道；但在流上fseek是什么鬼。这个抽象也太别扭了吧？一会儿是流你<<往里灌就是，一会儿是文件你可以fseek……搞了半天不还是文件抽象吗？

哦，你最好借助C的fopen/fseek系列函数学会文件IO，然后把它转换成别扭的流式操作风格？

说你是语法糖吧，你不仅不减少思维负担、提供书写便利，你还抬高了学习台阶、增加了思维负担——我不用想就知道文件如何操作，所以必须查一查流里面的对应物，看看现在它变成了什么？

你看，一切皆文件砍了一半思维负担，一切皆流给你加了一半思维负担。

为了这么个语法糖不算语法糖的东西，整了那么一套复杂的流库……

尤其是，现在是GUI时代了。屏幕输出都写哪了？

没错。文本框，富文本框，下拉框，标签……怎么流？

啊啊？是让我写？让我把富文本框标红一段内容设计成流式风格？

我傻？

你看，矫揉造作，四六不着。

所以才说这个抽象在“梢”上：看起来很酷，但没有半点通用性、预见性——甚至连老本行都做的矫揉造作，使得只有傻子/疯子才会把自己新设计的东西的接口向它靠拢；除了它，计算机世界的一切都是函数调用风格，于是学习它所投入的精力回报更少、那么就更不值得为它耗费精力（作为对比，一切皆文件把一切设备的操控接口统一成了文件风格，将来设计驱动时简单，填充文件操控对应的回调就行；别人学习使用也简单，看看你的命令字然后像文件一样就行：你看，一份投入，无穷回报）。

这能流行才怪。

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