Liunx文件系统和基础IO

文件系统和基础IO

• 基础IO
• • c语言基础IO函数
  • 当前路径和标准流
  • 系统IO
  • 系统调用函数
  • 重定向
  • FILE文件结构体
• 在谈缓存区问题
• 理解文件系统
• • 初识inode

基础IO

c语言基础IO函数

1. 打开与关闭

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

选项还可以是 r/w/a+ 意味着为可读可写打开。

2. 写入和读取
   (1) 字符的写入和读取

int fputc( int c, FILE *stream );

int fgetc( FILE *stream );

格式化输出和格式化输入

文件是否错误：

当前路径和标准流

所有的文件操作函数生成的文件都在当前路径，这个当前路径其实就是工作目录。工作目录查看方法：

proc文件夹中。

标准流：

extern FILE *stdin;//标准输入流
extern FILE *stdout;//标准输出流
extern FILE *stderr;//标准错误流

当我们运行c语言时，默认打开三个流：其中，标准输入流对应的设备就是键盘，标准输出流和标准错误流对应的设备都是显示器。
stdin、stdout以及stderr是C标准库下的标准输入输出错误流，其他语言如C++也有对应的标准输入输出错误流：cin、cout和cerr。

系统IO

我们在前面学习了 Liunx中，用户不能直接访问操作系统。用户必须通过接口访问。接口既有普通函数接口，也有系统调用接口。c的库函数对不同操作系统的系统调用接口用相同的c语言接口进行封装，让c语言有了跨平台性。

介绍一个小知识点 ：位图传参

基本原理：

#define ONE 1
#define TWO (1<<1)
#define THREE (1<<2)
#define FOUR (1<<3)
#define FIVE (1<<4)
 
void Print(int flag)
{
    if(flag & ONE) printf("1\n");
    if(flag & TWO) printf("2\n");
    if(flag & THREE) printf("3\n");
    if(flag & FOUR) printf("4\n");
    if(flag & FIVE) printf("5\n");
}
 
int main()
{
    Print(ONE);
    printf("----------------------\n");
    Print(TWO);
    printf("----------------------\n");
    Print(ONE|TWO);
    printf("----------------------\n");
    Print(THREE|FOUR|FIVE);
    printf("----------------------\n");
    Print(ONE|TWO|THREE|FOUR|FIVE);
}

系统调用函数

1. open

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

open的第一个参数：文件名

• 若pathname以路径的方式给出，则当需要创建该文件时，就在pathname路径下进行创建。

• 若pathname以文件名的方式给出，则当需要创建该文件时，默认在当前路径下进行创建。（注意当前路径的含义）
  

  例如：以只写的方式打开文件，当目标文件不存在时自动创建文件，则参数设置如下：

O_WRONLY | O_CREAT

参数 mode：
open函数的第三个参数是mode，表示创建文件的默认权限。

例如，将mode设置为0666，则文件创建出来的权限如下：

但实际上创建出来文件的权限值还会受到umask（文件默认掩码）的影响，实际创建出来文件的权限为：mode&(~umask)。umask的默认值一般为0002，当我们设置mode值为0666时实际创建出来文件的权限为0664。

文件描述符
open函数的返回值是新打开文件的文件描述符

那么问题来了 0 1 2去哪里了？ 是事上0 1 2 正是我们的标准三流

实际上这里所谓的文件描述符本质上是一个指针数组的下标，指针数组当中的每一个指针都指向一个被打开文件的文件信息，通过对应文件的文件描述符就可以找到对应的文件信息。
close

系统接口中使用close函数关闭文件，close函数的函数原型如下：

int close(int fd);

使用close函数时传入需要关闭文件的文件描述符即可，若关闭文件成功则返回0，若关闭文件失败则返回-1。

write

系统接口中使用write函数向文件写入信息，write函数的函数原型如下：

size_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

我们可以使用write函数，将buf位置开始向后count字节的数据写入文件描述符为fd的文件当中。

• 如果数据写入成功，实际写入数据的字节个数被返回。
• 如果数据写入失败，-1被返回。
  文件描述符fd
  我们在前面已经知道了文件描述符是open函数的返回值，就说文件描述符fd和被打开的文件有着千丝万缕的关系。
  
  这个数组管理着所有被打开的文件。
  

重定向

我们关闭 1 标准输出流 然后重新打开一个。写入到stdout

我们试着写入stdout：结果也是一样。

在打开新接口时，会自动选用最小的接口作为新的函数接口。
dup2 的函数调用

dup2通过更换文件描述符fd 达到了重定向的功能。

FILE文件结构体

FILE文件是c语言中掌管文件的一个结构体。接下来，我们看看他封装了什么：

typedef struct _IO_FILE FILE;
 
struct _IO_FILE {
	int _flags;       /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags
 
	//缓冲区相关
	/* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
	/* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
	char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */
	char* _IO_read_end;   /* End of get area. */
	char* _IO_read_base;  /* Start of putback+get area. */
	char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
	char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */
	char* _IO_write_end;  /* End of put area. */
	char* _IO_buf_base;   /* Start of reserve area. */
	char* _IO_buf_end;    /* End of reserve area. */
	/* The following fields are used to support backing up and undo. */
	char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
	char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */
	char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */
 
	struct _IO_marker *_markers;
 
	struct _IO_FILE *_chain;
 
	int _fileno; //封装的文件描述符
#if 0
	int _blksize;
#else
	int _flags2;
#endif
	_IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small.  */
 
#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
	/* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */
	unsigned short _cur_column;
	signed char _vtable_offset;
	char _shortbuf[1];
 
	/*  char* _save_gptr;  char* _save_egptr; */
 
	_IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

我们分别介绍重要部分：

这是c语言自带的文件缓存区。

这就是fd。找到这个之后，我们现在终于明白了，整个结构体就是为了封装fd。open函数在上层为用户申请FILE结构体变量，并返回该结构体的地址(FILE*)，在底层通过系统接口open打开对应的文件，得到文件描述符fd，并把fd填充到FILE结构体当中的_fileno变量中，至此便完成了文件的打开操作。

而C语言当中的其他文件操作函数，比如fread、fwrite、fputs、fgets等，都是先根据我们传入的文件指针找到对应的FILE结构体，然后在FILE结构体当中找到文件描述符，最后通过文件描述符对文件进行的一系列操作。

在谈缓存区问题

缓存区在我们刚学之时就是一个很难理解的问题，现在我们写一段代码，再次探索缓存区。

我们把1号从stdout变成了fd，意味着fd会被写入3条指令。

神奇的是

接下来我们就探索这种神奇的现象：

输出的结果就不一样了，C语言函数fprintf和fwrite执行了两次，系统调用write执行了一次，为什么呢？

这就与『 语言层面』上的『 缓冲区』有关了。

首先，缓冲策略有以下几种：

• 无缓冲。
• 行缓冲。（常见的对显示器进行刷新数据）------遇到\n刷新
• 全缓冲。（常见的对磁盘文件写入数据）------写满缓冲区才刷新
  
  c语言自带的缓存区：凡是使用c语言的库函数调用的每个函数都会维护一个缓冲区，执行代码之后，因为文件是全缓冲则成这样：
  
  

理解文件系统

现在，我们在冲文件磁盘在看操作系统。

初识inode

• 磁盘文件由两部分构成，分别是文件内容和文件属性。文件内容就是文件当中存储的数据，文件属性就是文件的一些基本信息，例如文件名、文件大小以及文件创建时间等信息都是文件属性，文件属性又被称为元信息。

接下来我们查看文件的详细信息：

磁盘理解：

一个扇区的大小为512字节，但是操作系统认为512字节太小了，访问效率太慢了，所以操作系统将连续的8个扇区作为一个基本数据块，即4KB， 所以这4KB就是IO的基本单位，也就是说只要需要修改数据，哪怕再小，操作系统也要将这4KB拿出来做修改再放回去，这就是所谓的基本单位。