Linux —— 基础I/O

一，背景介绍

狭义的文件存放在磁盘上，广义上在Linux下一切皆文件；磁盘上的文件一般为永久存储的外设，本质上对文件的操作，即为对外设的输入和输出（简称I/O）；空文件并不是不占磁盘文件，只是没有内容，文件=属性(元数据)+内容；对文件的内容操作，如fread、fwrite、fgets、fgetc，fputc，fputs等；对文件的属性操作，如fseek、ftell、rewind等；

从系统角度，对文件的操作，其实就是进程对文件的操作；是通过系统调用接口，来实现操作的；

当前路径，每个进程都有一个内置属性cwd（即当前工作目录）；

bash 复制代码

[wz@192 ~]$ ll /proc/29286
total 0
dr-xr-xr-x. 2 wz wz 0 8月   7 19:11 attr
-rw-r--r--. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 autogroup
-r--------. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 auxv
-r--r--r--. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 cgroup
--w-------. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 clear_refs
-r--r--r--. 1 wz wz 0 8月   7 19:10 cmdline
-rw-r--r--. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 comm
-rw-r--r--. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 coredump_filter
-r--r--r--. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 cpuset
lrwxrwxrwx. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 cwd -> /home/wz/Desktop
-r--------. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 environ
lrwxrwxrwx. 1 wz wz 0 8月   7 19:11 exe -> /home/wz/Desktop/target
dr-x------. 2 wz wz 0 8月   7 19:10 fd
...

在任何C程序，都会默认打开三个文件（硬件）：

标准输入，stdin，键盘文件；
标准输出，stdout，显示器文件；
标准错误，stderr，显示器文件；

注，所有外设硬件，本质上即对应read/write的核心操作；可通过C接口，直接对stdin/stdout/stderr进行读写操作；默认打开这三个文件，其他函数使用需求，如scanf、printf、perror等，另外fprintf、fscanf；其他语言也是如此，C++中是cin、cout、cerr；

二，系统接口函数

open、close、read、write；

open 打开或创建文件

close 关闭文件

read 读取文件

write 写入文件

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }
    const char* msg = "hello world\n";
    write(fd, msg, strlen(msg));
    close(fd);
    return 0; 
}

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }
    char buffer[1024];
    ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer)-1);
    if(s>0)
    {
        buffer[s] = '\0';
        printf("%s\n", buffer);
    }
    close(fd);
    return 0; 
}

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_APPEND);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }
    const char* msg = "hello world append\n";
    write(fd, msg, strlen(msg));
    close(fd);
    return 0; 
}

注：

O_WRONLY|O_CREAT 对应C语言 w ；

O_RDONLY 对应C语言 r ；

O_WRONLY|O_APPEND 对应C语言 a ；
标签flags，O_WRONLY、O_CREAT、O_RDONLY、O_APPEND都是宏；

cpp 复制代码

/usr/include/asm-generic/fcntl.h

#define O_ACCMODE 00000003
#define O_RDONLY  00000000
#define O_WRONLY  00000001
#define O_RDWR    00000002
#ifndef O_CREAT
#define O_CREAT   00000100  /* not fcntl */
#endif
#ifndef O_EXCL
#define O_EXCL    00000200  /* not fcntl */
#endif
#ifndef O_NOCTTY
#define O_NOCTTY  00000400  /* not fcntl */
#endif
#ifndef O_TRUNC
#define O_TRUNC   00001000  /* not fcntl */
#endif
#ifndef O_APPEND                                                                 
#define O_APPEND  00002000
#endif

编程语言使用自己的接口，封装系统接口，是因为需兼容自身语法特征，且系统调用使用成本较高，不具备可移植性；

三，文件描述符

Linux进程默认会有三个已打开的文件描述符，即0(stdin键盘)、1(stdout显示器)、2(stderr显示器)；系统接口函数的返回值即为文件描述符，是从0开始的小整数，实际上是数组的下标；新文件的文件描述符使用当前没被使用的最小下标；

cpp 复制代码

#include <stdio.h>      
#include <sys/types.h>      
#include <sys/stat.h>      
#include <fcntl.h>      
#include <unistd.h>      
#include <string.h>   

int main()      
{      
    int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);      
    int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);      
    int fd3 = open("log3.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);      
    int fd4 = open("log4.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);      
      
    printf("fd1=%d\n",fd1);  
    close(fd1);    
    printf("fd2=%d\n",fd2);                                                          
    printf("fd3=%d\n",fd3);      
    printf("fd4=%d\n",fd4);      
    return 0;       
}

bash 复制代码

//新建的文件会从3开始
[wz@192 Desktop]$ ./target 
fd1=3
fd2=4
fd3=5
fd4=6

结构体指针files

进程task_struct包含一个结构体指针files；

结构体指针files指向的表files_struct

该表包含一个结构体指针数组；
该数组中元素指向打开的文件；

文件结构体

四，输出重定向

cpp 复制代码

//关闭默认打开的1指向的文件，即stdout
//此时新创建的文件，fd将会是1
//本来printf应打印到显示器，此时应该写入到log.txt
int main()    
{    
    close(1);    
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);    
    printf("fd=%d\n",fd); 
    close(fd);                                                                                     
    return 0;    
}

bash 复制代码

//此时不仅没有打印到屏幕，也没有写入到log.txt
[wz@192 Desktop]$ ./target 
[wz@192 Desktop]$ cat log.txt 
[wz@192 Desktop]$

FILE

FILE结构体内部包括，文件对应的文件描述符下标fd 、及应用层C语言提供的缓冲区数据；
向普通文件写入是全缓冲，向屏幕文件写入是行缓冲；

cpp 复制代码

int main()    
{    
    close(1);    
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);    
    printf("fd=%d\n",fd); 
    fflush(stdout);
    close(fd);                                                                                     
    return 0;    
}

bash 复制代码

//刷新到了log.txt文件
[wz@192 Desktop]$ ./target 
[wz@192 Desktop]$ cat log.txt 
log.txt fd=1

cpp 复制代码

//语言层次上
int main()    
{    
    printf("stdin fd=%d\n",stdin->_fileno);    
    printf("stdout fd=%d\n",stdout->_fileno);    
    printf("stderr fd=%d\n",stderr->_fileno);                                        
    FILE* fp = fopen("log.txt", "r");    
    printf("log.txt fd=%d\n",fp->_fileno);    
    pclose(fp);    
    return 0;    
}

bash 复制代码

[wz@192 Desktop]$ ./target 
stdin fd=0
stdout fd=1
stderr fd=2
log.txt fd=3