Linux基础IO【文件理解与操作】（linux文件io和标准io）

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前言

文件操作是 基础IO 学习的第一步，我们在 C语言 进阶中，就已经学习了文件相关操作，比如 fopen 和 fclose，语言层面只要会用就行，但对于系统学习者来说，还要清楚这些函数是如何与硬件进行交互的

调用库函数进行文件操作时的流程

️正文

1、文件理解

先来通过几个问题来理解文件

文件操作的本质是什么？

  • 语言层面的文件操作就是直接使用库函数，而事实上，文件操作是系统层面的问题，就像进程管理一样，系统也会通过 先描述，再组织 的方式对文件进行管理、操作

只有 C/C++ 这种偏底层的语言才有文件操作吗？

  • 并不是，其他语言也支持文件操作，如 Java；在进行文件操作时，不同语言使用方法可能有所不同，但 ==本质上都是在调用系统级接口进行操作==

文件由什么构成？一般文件放在哪里？

  • 文件 = 内容 + 属性
  • 未使用的文件位于 磁盘，而使用中的文件 属性 会被加载至内存中
  • 本文讨论的是已被加载至内存文件的相关操作

系统是如何区分文件的？

  • 文件可以同时被多次使用，OS 为了管理好文件，会像使用 task_struct 管理进程一样，通过 struct file 存储文件属性进行管理
  • struct file 结构体包含了文件的各种属性和链接关系

文件是由谁打开的？

  • 由用户创建进程，调用系统级接口，再交给 OS 完成文件打开任务，文件写入与读取时也是同理

==总结：== 真正的文件操作需要结合系统底层学习，而我们之前的文件操作都是 进程 与 OS 间的交互

2、C语言文件操作

在学习 系统级文件操作 前，需要先回顾一下 C语言 中的文件操作

2.1、文件打开

FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );

通过文件名以指定打开方式，打开文件

打开方式(参数2)

  • w 只写，如果文件不存在，会新建，文件写入前，会先清空内容
  • a 追加，在文件末尾，对文件进行追加写入，追加前不会清空内容
  • r 只读，打开已存在的文件进行读取，若文件不存在，会打开失败
  • w+、a+、r+ 读写兼具，区别在于是否会新建文件，只有 r+ 不会新建
//打开文件进行操作
//在当前目录中打开文件 log.txt
//注意：同一个文件，可以同时多次打开
FILE* fp1 = fopen("log.txt", "w");
        //只读
FILE* fp2 = fopen("log.txt", "a");
        //追加
FILE* fp3 = fopen("log.txt", "r");
        //只写，文件不存在会打开失败

FILE* fp4 = fopen("log.txt", "w+");
        //可读可写
FILE* fp5 = fopen("log.txt", "a+");
        //可读可追加
FILE* fp6 = fopen("log.txt", "r+");
        //可读可写，文件不存在会打开失败

若文件打开失败，会返回空 NULL，可以在打开后判断是否成功

==注意：== 若参数1直接使用文件名，则此文件需要位于当前程序目录下，如果想指定目录存放，可以使用绝对路径

2.2、文件关闭

文件打开并使用后需要关闭，就像动态内存申请后需要释放一样

int fclose ( FILE * stream );

关闭已打开文件，只需通过 FILE* 指针进行操作即可

//对上面打开的文件进行关闭
//无论以哪种方式打开，关闭方法都一样
fclose(fp1);
    
fclose(fp2);
    
fclose(fp3);
    

fclose(fp4);
    
fclose(fp5);
    
fclose(fp6);

==注意：== 只能对已打开的文件进行关闭，若文件不存在，会报错

2.3、文件写入

C语言 对于文件写入有这几种方式：fputc、fputs、fwrite、fprintf 和 snprintf

int fputc ( int character, FILE * stream );
    

int fputs ( const char * str, FILE * stream );
    

size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );
    

int snprintf ( char * s, size_t n, const char * format, ... );

前几种方式比较简单，无非就是 逐字符写入、逐行写入 与 格式化写入，这里主要来介绍一下 snprintf

snprintf 是 sprintf 的优化版，增加了读取字符长度控制，更加安全

  • 参数1：缓冲区，常写做 buffer 数组
  • 参数2：缓冲区的大小
  • 参数3：格式化输入，比如 "%d\n", 10

使用 snprintf 函数写入数据至缓冲区后，可以再次通过 fputs 函数，将缓冲区中的数据真正写入文件中

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


#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 32

int main()
{
    
  FILE* fp = fopen(LOG, "w");

  if(!fp)
  {
    
    perror("fopen file fail!");
     //报错
    exit(-1);
 //终止进程
  }
    

  char buffer[SIZE];
      //缓冲区
  int cnt = 5;

  while(cnt--)
  {
    
    snprintf(buffer, SIZE, "%s\n", "Hello File!");
      //写入数据至缓冲区
    fputs(buffer, fp);
  //将缓冲区中的内容写入文件中
  }
    

  fclose(fp);
    
  fp = NULL;
    
  return 0;

}

得益于格式化控制，可以灵活地向日志文件中写入内容

2.4、文件读取

读取与写入配套出现

int fgetc ( FILE * stream );
    

char * fgets ( char * str, int num, FILE * stream );
    

size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );
    

int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... );
    

int sscanf ( const char * s, const char * format, ...);

可以使用 sscanf 按照一定的规则格式化读取字符串 s

#include <
    stdio.h>


int main()
{
    
  char s[] = "2023:3:24";
    
  int arr[3];
    
  char* buffer[4];
    
  sscanf(s, "%d:%d:%d", arr, arr + 1, arr + 2);
    
  printf("%d\n%d\n%d\n", arr[0], arr[1], arr[2]);
    

  return 0;

}

这个函数多用于 序列化与反序列化操作

关于更多 C语言 文件操作的知识 《C语言进阶——文件操作》

3、系统级文件操作

回顾完 C语言 文件相关操作后，就可以开始系统级文件操作的学习了

3.1、打开 open

首先学习如何直接调用调用系统级函数 open 打开文件

#include <
    sys/types.h>
    
#include <
    sys/stat.h>
    
#include <
    fcntl.h>
    

int open(const char *pathname, int flags);
    
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
        //可以修改权限

3.1.1、函数理解

返回值：不同于 FILE*，系统级文件打开函数返回类型为 int，即 文件描述符（ file descriptor ），文件打开失败返回 -1
文件描述符很重要，将在下篇文章 《重定向本质》 中讲解

参数1：pathname 待操作文件名，和 fopen 一样
参数2：flags 打开选项，open 使用的标记位的方式传递选项信号，用一个 int 至多可以表示 32 个选项
参数3：mode 权限设置，文件起始权限为 0666

主要就是参数2有点复杂，使用了 位图 的方式进行多参数传递

可以利用这个特性，写一个关于位图的小demo

3.1.2、位图demo

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


#define ONE 0x1
#define TWO 0x2
#define THREE 0x4

void Test(int flags)
{
    
  //模拟实现三种选项传递
  if(flags &
     ONE)
    printf("This is one\n");
    

  if(flags &
     TWO)
    printf("This is two\n");
    

  if(flags &
     THREE)
    printf("This is three\n");

}


int main()
{
    
  Test(ONE | TWO | THREE);
    
  printf("-----------------------------------\n");
    
  Test(ONE);
      //位图使得选项传递更加灵活
  return 0;

}

函数 open 中的参数2正是位图，其参数有很多个，这里列举部分

 O_RDONLY    //只读
 O_WRONLY    //只写
 O_APPEND    //追加
 O_CREAT    //新建
 O_TRUNC    //清空

实际使用时，可以按照位图demo中的方式进行参数传递

#include <
    stdio.h>
    
#include <
    stdlib.h>
    
#include <
    sys/types.h>
    
#include <
    sys/stat.h>
    
#include <
    fcntl.h>
    
#include <
    string.h>
    
#include <
    unistd.h>
 //write 的头文件


#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 32

int main()
{
    
  //三种参数组合，就构成了 fopen 中的 w
  int fd = open(LOG, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    //权限最好设置
  if(fd == -1)
  {
    
    perror("open file fail1");
    
    exit(-1);

  }
    

  const char* ps = "Hello System Call!\n";
    
  int cnt = 5;
    
  while(cnt--)
    write(fd, ps, strlen(ps));
      //不能将 '\0' 写入文件中

  close(fd);
    
  return 0;

}

==注意：==

  • 假若文件不存在，open 中的参数3最好进行设置，否则创建出来的文件权限为随机值
  • 继承环境变量表后，umask 默认为 0002，当然也可以自定义
  • 通过系统级函数 write 写入字符串时，不要刻意加上 '\0'，因为对于系统来说，这也只是一个普通的字符（'\0' 作为字符串结尾只是 C语言 的规定）

C语言 中的 fopen 调用 open 函数，其中的选项对应关系如下

  • w -> O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC
  • a -> O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND
  • r -> O_RDONLY
  • ……

所以只要我们想，使用 open 时，也能做到 只读方式 打开 不存在的文件，也不会报错，加个 O_CREAT 参数即可

3.2、关闭 close

close 函数根据文件描述符关闭文件

#include <
    unistd.h>
    

int close(int fildes);

==Linux 下一切皆文件==

包括这三个标准流： stdin、stdout、stderr
它们的文件描述符依次为：1、2、3，也可以通过 close(1) 的方式，关闭标准流

3.3、写入 write

write 函数的返回值类型有点特殊，但使用方法与 fwrite 基本一致

#include <
    unistd.h>
    

ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);

向文件中写入字符串，前面已经演示过了~

3.4、读取 read

read 读取很淳朴，只支持指定字符数读取

#include <
    unistd.h>
    

ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);

文件读取时，同样是借助缓冲区进行读取

#include <
    stdio.h>
    
#include <
    stdlib.h>
    
#include <
    sys/types.h>
    
#include <
    sys/stat.h>
    
#include <
    fcntl.h>
    
#include <
    string.h>
    
#include <
    unistd.h>
 //write 的头文件


#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 1024

int main()
{
    
  int fd = open("test.c", O_RDONLY);

  if(fd == -1)
  {
    
    perror("open file fail1");
    
    exit(-1);

  }
    

  int n = 50;
     //读取50个字符
  char buffer[SIZE];
    
  int pos = 0;

  while(n--)
  {
    
    read(fd, (char*)buffer + pos, 1);
    
    pos++;

  }
    

  printf("%s\n", buffer);
    

  close(fd);
    
  return 0;

}

读取 test.c 源文件中的 100 个字符

这些系统级函数成功使用的前提是文件描述符合法

4、小结

最后再来简单小结一下文件的本质（结合系统级函数）

4.1、高级语言文件操作的本质

只要是在 Linux 平台中编写的程序，无论是 Java、Python、PHP 还是其他语言，在进行文件相关操作时，其文件操作函数都有对系统级函数进行封装，也就是说，要想与硬件（磁盘）打交道，必须经过 系统调用 -> OS -> 驱动 这条路线，无法直接与硬件进行交互

总结

以上就是基础IO【文件理解与操作】的全部内容了，本文主要是学习系统级文件操作函数，关于文件操作底层实现及重定向原理，将会在下篇文章讲解

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