Linux:基础IO(一.C语言文件接口与系统调用、默认打开的文件流、详解文件描述符与dup2系统调用)

上次介绍了:Linux:进程控制(二.详细讲解进程程序替换)


文章目录


1.基础认识

  1. 文件是存储在磁盘或其他存储介质上的数据集合,包括数据内容和文件属性。

  2. 在操作系统中,文件的操作通常需要通过进程来打开文件才进行,进程在打开文件时会创建一个文件描述符,用于标识这个文件。

  3. 在访问文件之前,通常需要先打开文件。通过打开文件,进程可以获取文件的句柄或文件描述符,然后可以通过读取、写入、修改文件内容来进行文件操作。文件的修改通常是通过执行相应的代码来实现的,比如写入数据、修改文件属性等。

  4. 在操作系统中,进程在打开文件时会获得一个文件描述符,这个文件描述符是进程访问该文件的标识符。一个进程可以打开多个文件,每个打开的文件都会有一个对应的文件描述符。这意味着一个进程可以同时访问多个文件,进行读取、写入等操作。

  5. 当一个文件被打开时,通常会将文件的部分或全部内容加载到内存中,以便进程可以直接访问和操作文件内容。这样可以提高文件的访问速度和效率。

  6. 在系统中,一个进程能打开多个文件。还有可能会存在多个进程同时打开多个文件

    所以,打开的文件OS一定要对其进行管理,怎么管理------先描述再组织:那么内核中一定有用来描述被打开文件的结构体,并用它来定义一个个对象

  7. 操作系统中,并不是所有的文件都会被进程打开。实际上,系统中可能存在大量的文件,但并不是所有的文件都会被进程打开并加载到内存中进行操作。有些文件可能处于未打开状态,即它们仅存在于磁盘中,没有被任何进程打开

2.再识c语言中文件接口

2.1fopen()与fclose()

当在 C 语言中进行文件操作时,fopen() 和 fclose() 是两个非常重要的函数。下面我将详细讲解它们的作用和用法:

  1. fopen() :该函数用于打开一个文件,并返回一个指向 FILE 结构体的指针,该指针用于后续的文件操作。
    • 语法:FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
    • 参数
      • filename:要打开的文件的路径和名称。
      • mode:打开文件的模式,包括只读、只写、读写等不同选项。
    • 返回值
      • 如果成功打开文件,则返回指向 FILE 结构体的指针。
      • 如果打开文件失败,则返回 NULL。

mode 参数。mode 参数控制文件的打开方式,包括读取、写入、追加等不同选项。下面是各种模式的含义和用法:

  1. "r":只读模式
  • 打开文件以供读取。如果文件不存在,打开操作将失败。
  • 如果文件不存在,则返回 NULL。
  1. "w":只写模式
  • 打开文件以供写入。如果文件存在,则会被截断(即文件内容会被清空);如果文件不存在,则会创建一个新文件。
  • 如果文件打开成功,则返回指向文件的指针。
  1. "a":追加模式
  • 打开文件以供写入,但是不会截断文件。新的数据会被追加到文件末尾。
  • 如果文件打开成功,则返回指向文件的指针。
  1. "r+":读写模式(文件必须存在)
  • 打开文件以供读取和写入。文件必须存在,否则打开操作将失败。
  • 如果文件打开成功,则返回指向文件的指针。
  1. "w+":读写模式(文件不存在则创建)
  • 打开文件以供读取和写入。如果文件存在,则会被截断;如果文件不存在,则会创建一个新文件。
  • 如果文件打开成功,则返回指向文件的指针。
  1. "a+":读写模式(追加模式,文件不存在则创建)
  • 打开文件以供读取和写入,不会截断文件。新的数据会被追加到文件末尾。
  • 如果文件打开成功,则返回指向文件的指针。
c 复制代码
#include<stdio.h>

int main()
{
	FILE* f = fopen("./test.txt", "w");//打开
	if (f == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//在打开关闭之间,我们能进行文件操作

	fclose(f);//关闭
	return 0;
}
  1. fclose() 函数:
    • fclose() 函数用于关闭一个已打开的文件,释放文件资源并刷新缓冲区。
    • 语法:int fclose(FILE *stream);
    • 参数:
      • stream:指向已打开文件的 FILE 结构体指针。
    • 返回值:
      • 如果成功关闭文件,则返回 0。
      • 如果关闭文件失败,则返回 EOF。

2.2文件操作函数

不带路径时,都默认是当前路径。因为进程在启动的时候,会自动记录自己启动时所在的路径

如果使用chdir()函数的话,就会改变

chdir() 函数用于更改当前工作目录:

  • 函数原型:int chdir(const char *path);
  • 功能:将当前工作目录更改为指定的目录。
  • 参数:path 是一个字符串,表示要更改到的目录路径。
  • 返回值:如果成功,则返回 0;如果失败,则返回 -1。
  1. fprintf():向文件写入格式化数据

    • 函数原型:int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
    • 功能:将格式化的数据写入到指定文件中。
    • 示例:fprintf(file, "Hello, World!");
  2. fscanf():从文件读取格式化数据

    • 函数原型:int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
    • 功能:从指定文件中读取格式化的数据。
    • 示例:fscanf(file, "%d %s", &num, str);
  3. fputc():向文件写入一个字符

    • 函数原型:int fputc(int c, FILE *stream);
    • 功能:将一个字符写入到指定文件中。
    • 示例:fputc('A', file);
  4. fgetc():从文件读取一个字符

    • 函数原型:int fgetc(FILE *stream);
    • 功能:从指定文件中读取一个字符。
    • 示例:char ch = fgetc(file);
  5. fgets():用于从指定文件中读取一行数据,并将其存储到指定的缓冲区中

    • 函数原型:char *fgets(char *str, int num, FILE *stream);
    • 功能:从指定文件中读取一行数据。
    • 示例:fgets(buffer, sizeof(buffer), file);
  6. fputs():向文件写入一行数据

    • 函数原型:int fputs(const char *str, FILE *stream);
    • 功能:将一行数据写入到指定文件中。
    • 示例:fputs("Hello, World!", file);
  7. fwrite() 是 C 语言标准库中用于将数据块写入文件的函数。

    c 复制代码
    size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
    • ptr:指向要写入的数据的指针。
    • size:要写入的每个数据项的大小(以字节为单位)。
    • nmemb:要写入的数据项的数量。
    • stream:指向要写入的文件的指针。
c 复制代码
#include<stdio.h>

int main()
{
	FILE* f = fopen("./test.txt", "w");//打开
	if (f == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//在打开关闭之间,我们能进行文件操作
	const char* str = "this's test.txt";
	fputs(str, f);

	fclose(f);//关闭
	return 0;
}

以w方式打开时,文件首先会被清空,这也就是为什么我们看不到新的一个this's test.txt,相当于覆盖了

  • 我们之前看到的输出重定向>:也是直接覆盖(默认也是以w方式打开的)

使用a方式打开(append)

c 复制代码
int main()
{
	FILE* f = fopen("./test.txt", "a");//打开
	if (f == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//在打开关闭之间,我们能进行文件操作
	const char* str = "this's test.txt\n";
	fputs(str, f);

	fclose(f);//关闭
	return 0;
}

这次我们使用a方式来打开文件,会在文件末尾处开始写入,不会覆盖而是追加

  • 使用 >> 符号进行输出重定向时,会以追加模式打开文件,新的内容会被追加到文件末尾而不会清空原有内容

3.三个默认打开的文件流

在标准C库中,有三个默认打开的文件流,它们分别是:

  1. stdin:标准输入流,通常用于从键盘设备读取输入。
  2. stdout:标准输出流,通常用于向显示器设备输出信息。
  3. stderr:标准错误流,通常用于向控制台输出错误信息。

这三个文件流在程序启动时会自动打开,不需要显式地打开或关闭

stdinstdoutstderr 是标准C库中定义的全局变量,它们分别代表标准输入流、标准输出流和标准错误流。这些变量通常在 <stdio.h> 头文件中声明,可以直接使用。

  1. stdin

    • stdin 是标准输入流,通常用于从用户输入设备(如键盘)读取数据。
    • 在程序启动时,stdin 会自动关联到标准输入设备,通常是键盘。
  2. stdout

    • stdout 是标准输出流,通常用于向用户输出设备(如屏幕)输出数据。
    • 在程序启动时,stdout 会自动关联到标准输出设备,通常是屏幕。
    c 复制代码
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    
    #define FILENAME "log.txt"
    
    int main() {
        printf("hello printf\n"); // 使用 printf 函数向标准输出流输出字符串
        fputs("hello fputs\n", stdout); // 使用 fputs 函数向标准输出流输出字符串
        const char* msg = "hello fwrite\n";
        fwrite(msg, 1, strlen(msg), stdout); // 使用 fwrite 函数向标准输出流输出字符串
        fprintf(stdout, "hello fprintf\n"); // 使用 fprintf 函数向标准输出流输出格式化字符串
        return 0;
    }
    1. printf("hello printf\n");(我们经常用):
    • 函数原型:int printf(const char *format, ...);
    • printf 是标准C库中的函数,用于向标准输出流(stdout)输出格式化字符串。
    • 在这里,printf 输出了字符串 "hello printf" 到标准输出流,并在末尾添加一个换行符。
    1. fputs("hello fputs\n", stdout);
    • 函数原型:int fputs(const char *str, FILE *stream);
    • fputs 是标准C库中的函数,用于向指定文件流(这里是 stdout,即标准输出流)输出字符串。
    • 在这里,fputs 输出了字符串 "hello fputs" 到标准输出流,并在末尾添加一个换行符。
    1. fwrite(msg, 1, strlen(msg), stdout);
    • 函数原型:size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
    • fwrite 是标准C库中的函数,用于向指定文件流输出指定数量的字节。
    • 在这里,fwrite 输出了 msg 指向的字符串 "hello fwrite" 到标准输出流,并指定输出字符串的长度。
    1. fprintf(stdout, "hello fprintf\n");:、
    • 函数原型:int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
    • fprintf 是标准C库中的函数,用于向指定文件流输出格式化字符串。
    • 在这里,fprintf 输出了格式化字符串 "hello fprintf" 到标准输出流。
  3. stderr

    • stderr 是标准错误流,通常用于向用户输出设备输出错误信息。
    • 在程序启动时,stderr 会自动关联到标准错误设备,通常也是屏幕。
    • 您可以使用 fprintf(stderr, ...) 等函数向 stderr 输出错误信息。

我们上面在进行相关操作时,会发现中间必然要访问硬件。那这就说明OS一定提供了相关的系统调用接口

4.相关系统接口

4.1open()

在2号手册,说明是系统调用接口

open 函数是用于打开文件的系统调用函数。它的原型如下:

c 复制代码
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

pathname 是要打开的文件的路径名,flags 是打开文件的标志,mode 是文件的权限。open 函数==返回一个文件描述符(file descriptor)==用于后续对文件的读写操作。打开失败的话返回-1(不需要创建文件时,就使用两个参数就好了)

flags 参数可以是以下标志的组合(都是一个个宏):

  • O_RDONLY:只读
  • O_WRONLY:只写
  • O_RDWR:读写
  • O_CREAT:如果文件不存在则创建
  • O_TRUNC:如果文件存在则截断为0长度,就像之前的w
  • O_APPEND:追加写入,就像之前的a

这些宏都只有一个比特位为1,其余为0

mode 参数指定了文件的权限,通常与 S_IRUSRS_IWUSR 等宏一起使用。如果创建文件时不加上权限,那么创建出来的文件权限是乱码。这就需要我们如果创建了文件,就要给上文件的权限。经常使用格式:0666(与我们之前讲的umask一样,0可以看成一个格式要求),但是这样创建后的权限不是最终权限,我们使用0666后,还要收到掩码的修改

c 复制代码
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main() 
{
    int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    return 0;
}

如果想要创造一个自己指明权限的文件,可以使用umask()函数

4.2umask()函数

umask 函数是一个系统调用,用于设置进程的文件创建屏蔽字(file mode creation mask)。文件创建屏蔽字是一个权限掩码,用于确定新建文件的默认权限。在创建新文件时,系统会根据进程的文件创建屏蔽字来屏蔽一些权限位,以确保新建文件不会拥有过于宽松的权限。

umask 函数的原型:

c 复制代码
#include <sys/stat.h>
mode_t umask(mode_t mask);

umask 函数接受一个参数 mask,该参数是一个权限掩码,用于指定要屏蔽的权限位。umask 函数会返回之前的文件创建屏蔽字。通常,umask 函数会在创建文件之前调用,以确保新建文件不会拥有不必要的权限。

umask 函数的作用是进程级别的,它只影响调用该函数的进程及其子进程,不会对其他进程产生影响。

4.3close()、write()、read()

  1. close()

close() 函数用于关闭一个已打开的文件描述符。文件描述符是一个非负整数,用于在程序中唯一标识打开的文件、设备或其他输入/输出资源。当你打开一个文件时,系统会分配一个文件描述符给你,你可以通过这个描述符来读写文件。当你完成对文件的操作后,应该使用 close() 函数来关闭它,以释放系统资源。

函数原型如下:

c 复制代码
#include <unistd.h>  
int close(int fd);

其中 fd 是要关闭的文件描述符。如果成功,close() 返回 0;如果失败,返回 -1 并设置全局变量 errno 以指示错误原因。

  1. write()

write() 函数用于向打开的文件描述符写入数据。你可以使用它向普通文件、设备文件或套接字写入数据。

也是从文件的开头写

函数原型如下:

c 复制代码
#include <unistd.h>  
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • fd 是要写入的文件描述符。
  • buf 是一个指向要写入数据的缓冲区的指针。
  • count 是要写入的数据的字节数。

write() 函数返回实际写入的字节数。在成功时,返回值通常等于 count,除非到达文件的末尾或发生其他错误。如果发生错误,write() 返回 -1 并设置 errno

c 复制代码
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include<string.h>
int main() 
{
    int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    const char* str = "hellow write\n";
    write(fd, str, strlen(str));

    close(fd);
    return 0;
}
  1. read()

read() 函数用于从文件描述符中读取数据。它的函数原型如下:

c 复制代码
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • fd 是要读取的文件描述符。
  • buf 是一个指向存储读取数据的缓冲区的指针。
  • count 是要读取的字节数。

read() 函数会尝试从文件描述符 fd 对应的文件中读取 count 个字节的数据,并将读取的数据存储到 buf 指向的内存缓冲区中。函数返回值是实际读取的字节数。如果返回值为 0,则表示已经到达文件末尾;如果返回值为 -1,则表示读取出现错误。

以下是一个简单的示例,演示如何使用 read() 函数从文件中读取数据:

c 复制代码
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buffer[100];
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytes_read == -1) {
        perror("read");
        close(fd);
        return 1;
    }

    printf("Read %zd bytes: %s\n", bytes_read, buffer);

    close(fd);
    return 0;
}

5.文件描述符

方才我们使用的open()会返回一个整数fd,就是文件描述符

后面write()与close()也都要使用fd,也就是说,我们的操作系统是只认识文件描述符的

文件描述符是一个整数,用于在操作系统中唯一标识一个被打开的文件、设备或其他I/O资源

5.1 0、1、2

Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符,分别是标准输入0, 标准输出1, 标准错误2.

0、1、2对应的物理设备一般是:键盘,显示器,显示器

所以输入输出还可以采用如下方式:

c 复制代码
write(1, buf, strlen(buf));

这是大家可能会问? 刚才我们才说才c语言里stdinstdoutstderr,这三个FILE*是标准输入, 标准输出,与标准错误

那上面这0、1、2是怎么回事?

我们可以知道,一定是FILE 这个类型的结构体里面一定封装了文件描述符。三者里一定分别封装了0、1、2*

c 复制代码
int main()
{
    printf("%d", stdin->_fileno);
    printf("%d", stdout->_fileno);
    printf("%d", stderr->_fileno);
    return 0;
}

5.2底层

在 Linux 内核中,已经打开的文件结构体通常被称为文件描述符表(File Descriptor Table)中的表项,每个表项对应一个已经打开的文件。这些表项存储在内核内存中,而不是用户进程的内存空间中。

当进程打开文件时,内核会在文件描述符表中为该文件分配一个表项,并将相应的信息存储在表项中。当进程需要读取或写入文件时,内核会根据文件描述符找到对应的文件描述符表项,然后进行相应的操作。

文件描述符的本质:就是数组下标。我们使用open来得到下标,后续也是使用下标来进行write和close操作

进程你怎么知道你打开了哪些文件呢?

每打开一个文件,数组便要指向一个

文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时,操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用,所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files, 指向一张表files_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组,每个元素都是一个指向打开文件的指针!所以,本质上,文件描述符就是该数组的下标。所以,只要拿着文件描述符,就可以找到对应的文件

结构体里缓冲区通常用于存储文件数据的临时缓冲区,用于读取或写入文件内容。这个缓冲区不是指操作系统的缓冲区,也不是C语言标准库中的缓冲区


6.文件描述符的分配规则

fd的分配规则:最小的没有被使用的数组下标,会分配给最新打开的文件!

c 复制代码
int main()
{
    close(1);
    int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    printf("%d\n", fd);
    return 0;
}

printf()函数默认就是向标准输出流打印了,但是现在我们关闭了,而且新打开的test.txt文件的fd为1,代替了标准输出流的位置,printf就向test.txt中写入了


重定向---dup2()系统调用

dup2() 是一个系统调用,用于复制文件描述符。它的原型如下:

c 复制代码
#include <unistd.h>

int dup2(int oldfd, int newfd);
  • dup2() 系统调用的作用是将 oldfd 文件描述符复制到 newfd 文件描述符处。如果 newfd 已经打开,则会先关闭 newfd,然后将 oldfd 复制到 newfd 处;如果 newfd 等于 oldfd,则 dup2() 不会关闭 oldfd,但会返回 newfd
  • 这个系统调用通常用于重定向标准输入、标准输出和标准错误流,例如将一个文件描述符复制到标准输出流(文件描述符 1)或标准错误流(文件描述符 2)。
c 复制代码
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
	dup2(fd, 1);
	printf("hellow log.txt\n");
	return 0;
}

7.Linux中一切皆文件

在用户层面上,我们直接调用read函数后,函数内部是会调用结构体里面的函数指针,所以就大用了各种设备的函数了

在Linux中,"一切皆文件"(Everything is a file)是一个重要的概念,它体现了Linux操作系统的设计哲学。这个概念的核心思想是,Linux将所有设备、进程、网络连接、管道等抽象概念都视为文件,并通过文件系统的方式来管理和访问它们。

虚拟文件系统:Linux中的虚拟文件系统(Virtual File System,VFS)将不同类型的文件系统(如ext4、NTFS、procfs等)抽象成统一的文件接口,使得用户和应用程序可以以统一的方式访问不同的文件系统。

通过将所有这些不同的概念都视为文件,Linux提供了一种统一的接口和一致的操作方式,使得用户和开发者可以更加方便地管理和操作系统中的各种资源。

  1. 虚拟文件系统(VFS)
    • Linux 内核中有一个虚拟文件系统(VFS),它提供了一个抽象层,使得不同类型的文件系统(如 ext4、NTFS 等)能够以统一的方式被内核访问。
    • VFS 为所有文件提供了统一的接口,包括打开文件、读写文件、关闭文件等操作。
  2. 文件描述符
    • Linux 中每个进程都有一个文件描述符表,用于跟踪打开的文件和设备。
    • 标准输入流 stdin、标准输出流 stdout、标准错误流 stderr 分别对应文件描述符 0、1、2。
  3. 系统调用
    • Linux 提供了一系列系统调用(如 open()read()write()close() 等),用于在用户空间和内核空间之间进行文件操作。
    • 用户程序可以通过系统调用来打开设备文件、读取设备数据、写入设备数据等。

好啦大家,今天就到这里啦。感谢大家支持!!!

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