Linux文件（命令行文件操作、Linux文件操作、默认标准文件的底层原理）

1. 命令行的文件操作

在c语言中，我们用 fwrite 和 fread 来读写文件，在写文件时，可以使用 w 来覆盖重写文件内容，也可以用 a 来追加文件内容。实际上读写文件是进程来执行的，文件的打开和关闭是CPU在执行我们的代码。所以在Linux中，也有一套读写文件的操作。

在命令行中 >命令与w含义相同，可以覆盖文件内容；而 >> 命令含义与 a 相同，可以在文件后面追加内容。

它们的使用方法如下：

2. Linux的文件操作

Linux中，使用 open() 函数来打开文件，这个函数有两种重载。其中两个参数的重载一般用来打开已经存在的文件 ；而三个函数的重载一般用来创建新的文件。

头文件：

c++ 复制代码

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

int open(const char *pathname, int flags)

open()函数的 flags 参数是一个位图，以整型的形式传递。使用位运算符|可以以多种方式打开文件：

O_RDONLY: 以只读方式打开文件。

O_WRONLY: 以只写方式打开文件。

O_RDWR: 以读写方式打开文件。

O_CREAT: 如果文件不存在，则创建文件。

O_EXCL: 与O_CREAT一起使用，如果文件存在，则打开失败。

O_TRUNC: 如果文件存在且以写方式打开，则将其长度截断为0。

O_APPEND: 在每次写入时都追加到文件末尾。

O_NONBLOCK: 以非阻塞模式打开文件。

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

mode 参数为该文件的权限，以权限掩码的形式传参 。但要注意，系统已经存在默认的权限掩码，直接设置参数会影响文件最终的权限掩码。所以在设置文件的权限掩码时，还需要使用 umask() 函数来重置默认权限掩码，该函数不会影响系统的权限掩码，代码中的权限掩码因为就近原则使用重置的默认权限掩码。

mode_t umask(mode_t mask)

3. 理解文件操作

3.1 读写文件的底层原理

文件存储在硬盘中，所以向文件写入本质是向硬盘写入 。OS是文件的管理者，用户没有权限直接向文件写入，必须通过OS写入。所以文件写入必须使用系统调用，而我们使用的c和c++都是系统调用的封装。

因为文件储存在硬盘中，而OS在内存里，所以OS并不直接管理文件，而是使用类似于PCB的结构体来管理文件。

在Linux中，进程的task_struck里有一个指向files_struct结构体的指针，在这个结构体中存储了一个fd_array数组，这个数组记录着进程打开的文件的个数。

一个进程可以打开多个文件，文件描述符fd的本质是内核的进程，是文件映射关系的数组下标。其中，用户打开的文件下标从3开始，因为0、1、2分别存储着：

0	标准输入	键盘
1	标准输出	显示器
2	标准错误	显示器

在c语言的文件操作中也是如此，只是名字不同，分别对应为：

stdin	标准输入	键盘
stdout	标准输出	显示器
stderr	标准错误	显示器

被打开的文件用双向链表相互连接，而OS通过id记录的下标可以直接找到对应的文件。

文件描述符fd的分配规则：

查找自己的文件描述表，分配最小的没有被使用的fd。（实际上也可以把0、1、2文件关闭，这样新分配的fd也会去用这三个数字）。

对文件的读和写操作都不是直接对磁盘中的文件读写，而是有一个文件内核的缓冲区 。无论读写，都必须在合适的时候让OS把文件的内容读到文件缓冲区中。

所以我们在读写文件时，过程是：

读：OS通过fd找到对应的struct_file > 将硬盘中文件内容加载入文件内核的缓存 >将缓存内容拷贝到用户指定的区域

写：OS通过fd找到对应的struct_file >将写的内容拷贝入文件内核的缓存 > 将缓存的内容写入磁盘中的文件里

OS通过fd来查找文件，实际上OS只认fd，那么c和c++在使用读写文件的操作时，为什么没有使用fd也能操作文件呢？

在c语言中， FILE 实际上是库中提供的一种结构体，在这个结构体中实际也存储了文件的 fd ，因为 Linux 操作系统只认 fd ，C语言通过这个结构体让用户规避了直接接触 fd 描述符。在 c++ 中的 cin 和 cout 也是如此，本质上都会调用 fd 描述符。

C 和 C++ 设计自己进行文件操作接口的原因，是因为语言都要有跨平台性 。系统不同，系统调用的接口可能不一样，如 Linux 中使用文件描述符 fd 对文件进行管理和操作，但 Windows 中没有文件描述符的概念，所以直接使用系统调用的代码不具有跨平台性。

但如果语言对不同平台的系统调用进行封装，将不同操作系统的系统调用封装成一样的接口。虽然底层使用的系统调用不同，但是顶层的语言接口使用方式相同，这样语言也就有了跨平台性。

3.2 默认标准文件的底层原理

Linux 中一切皆文件，所以fd的0、1、2下标中的键盘和显示器虽然是硬件，但在 Linux 中也是文件。同样的OS不直接管理硬件，而是通过管理结构体来间接管理硬件。

在 struct_file 结构体中有一个 device 结构体记录着文件的属性，还有两个函数指针分别指向驱动中实现读和写的函数，OS就是通过这种方式来以文件的形式来管理硬件。这种管理方式被称为 vfs (virtual file system)