【Linux】基础IO-----文件详解

目录

一、文件理解：

二、C语言的文件操作：

1、fopen：

什么是当前路径：

2、fclose：

3、fwrite：

4、默认打开的三个流：

三、系统文件：

1、open：

2、close：

3、write：

O_TRUNC：

O_APPEND：

四、文件描述符与FILE：

文件描述符：

FILE：

---

一、文件理解：

通过几个问题来理解文件：

文件是由什么构成的，是在哪里存放的

文件 = 文件内容+文件属性

文件分为已被使用的文件 和未使用的文件

已使用的文件存放在磁盘，未使用的文件存放在内存（CPU只和内存打交道）

对文件进行操作本质是什么

对文件的操作可以是在语言方面 的，也可以是在系统方面 的

对于语言方面 的文件操作就是通过库函数的调用而对文件进行读写

对于系统层面 的文件操作就是通过先描述再组织的方式对文件进行管理操作

操作系统是怎么对各个正在使用的文件进行区分，管理的

操作系统对文件进行区分管理就 类似于管理进程 通过对文件进行描述（使用struct file 结构体对文件属性进行管理）再组织（每一个struct file结构体中有着指向下一个结构体的指针）

二、C语言的文件操作：

接下来回顾一下C语言中的对文件的操作接口：

可以看看以前写的文章，但是对于接口还有更多的补充

【C语言】文件操作-CSDN博客https://blog.csdn.net/2303_80828380/article/details/139933028?spm=1001.2014.3001.5501

1、fopen：

这个C语言中的标准库函数的作用是**打开一个文件，**如果没有找到文件就创建一个文件，再打开

在C语言中更多的是：

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

解析：

第一个参数：

可以写成要操作的文件名，如果在文件名前面不加路径，那就是在当前路径下打开，创建文件，如果加上了绝对路径那么就在指定的路径进行打开，创建文件

第二个参数：

是一个字符串，有几个选项可以选择的：

r : 只读模式，文件必须存在

r+: 读写模式，文件必须存在

w : 写模式，如果文件存在则文件长度清为0，即文件内容会消失，如果文件不存在则创建该文件

w+读写模式，如果文件存在则文件长度清为0，即文件内容会消失，如果文件不存在创建立该文件

a: 追加模式，如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾后，如果文件不存在，则创建文件

a+: 追加模式，如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾后，如果文件不存在，则创建文件

其中：a，附加写方式打开，不可读；a+，附加读写方式打开

如上，这就是在当前路径以写的模式打开 log.txt 文件

返回值：

返回类型是一个指向FILE对象的指针，FILE 又是C库中自己封装的结构体，里面封装了文件描述符若文件打开失败，会返回NULL，

文件描述符：（这是一个非负整数）

这个可以理解为：每个文件，操作系统进行设计的时候都需要有一个下标对应一个文件，可以理解为每个数组下标就对应了一个文件，通过这个数组下标就能访问操作文件 这个数组下标就被称为文件描述符，每个进程都有一个文件描述符表，用于跟踪进程打开的文件和I/O资源

什么是当前路径：

通过上述知识可以知道，当要在当前路径下以写模式打开文件时，如果没有找到该文件，就在当前路径下创造一个文件，那么系统是怎么找到当前路径的呢？当前路径又是什么呢？

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
	printf("pid:%d\n",getpid());
	FILE* fp = fopen("log.txt","w");
	if(fp == NULL)
	{
		perror("fopen fail");
		return 1;
	}
	fclose(fp);
	sleep(1000);
	return 0;
}

如上代码，这就是在当前路径下以读的形式打开一个文件，如果不存在就在当前路径下创建一个log.txt文件再打开

可以通过下述的指令查看到进程的当前路径cwd（current working directory）

如上，当进程执行的时候，可以在/proc目录下查看该进程的数据，里面有一个cwd，操作系统就是通过查看这个来作为进程的当前路径

2、fclose：

打开、关闭文件类似于动态开辟空间（开辟好一个空间后要将其释放），当我们打开一个文件后，在使用后也要记得关闭文件，这个时候就使用fclose即可，

参数就是将该文件的文件指针传入fclose函数即可，fclose函数如果关闭文件成功会返回0

最后当关闭后及时将文件指针置空防止野指针

fclose(pf);//关闭文件
pf = NULL;//及时置空

3、fwrite：

这是一个文件写入方式，有四个参数
解析：

第一个参数：

代表着要写入数据的起始地址

第二个参数：

代表着要拷贝数据的大小

第三个参数：

代表着要拷贝数据的个数

第四个参数：

代表着要数据要到写到哪儿去

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
	FILE* fp = fopen("log.txt","w");
	if(fp == NULL)
	{
		perror("fopen fail");
		return 1;
	}

	const char* sum = "abcdefghijklmn\n";
	fwrite(sum,sizeof(char),6,fp);
	fclose(fp);
	return 0;
}

如上代码，就是将sun字符串，6个大小为char的数据写入到fp指针指向的 log.txt 中，

这样打开log.txt文件就可以看到已经写了6个char大小的字符

如果想一次全部写入可以修改为

fwrite(sun,strlen(sum),1,fp);

这样，再打开log.txt文件就可以看到把sum所有字符串都写入

4、默认打开的三个流：

在Linux下可以看做一切皆文件，所以我们电脑的显示器，键盘也可以看作是文件，

比如当在显示器上能够看到数据，其实就是往显示器文件中写入了数据

键盘能够输入数据，其实就是CPU从键盘文件中读入数据

那么当进程启动的时候我们为什么不用在代码中打开键盘文件，显示器文件呢？

其实在进程启动的时候，就默认打开了三个流：标准输入流，标准输出流，标准错误流

中三个在C语言中对应的分别就是stdin,stdout,stderr，我们在man手册中可以看到这三者的类型都是FILE*，这也就相当于打开了三个文件

比如我们也可以直接向stdout流里面写数据，这样的话就可以在显示器中看到了

三、系统文件：

首先要知道，对文件进行操作上述讲的是在语言方面的接口，操作系统还有一套系统接口来对文件进行访问的，实际上，语言方面的接口就是对系统接口进行封装的，

如下：语言方面的接口就在用户操作接口地方，系统接口就在system call处，系统接口更接近底层

文件是在磁盘上存储的，磁盘又属于硬件，平时我们在IO的时候访问文件本质上就是和硬件打交道，通过前面的知识我们了解到，用户如果想访问硬件是不能够直接访问的，必须要经过操作系统的，又因为操作系统不相信任何人，所以操作系统提供了系统调用接口供用户使用而访问底层硬件

1、open：

这个就是一个系统调用接口，man手册中的初步介绍如下：

解析：

第一个参数：

这是一个待操作文件名，其实和fopen中的一样，

如果以文件名的方式给出，就是在当前路径下进行文件操作

如果以路径+文件名的方式给出，就是在所给路径下进行文件操作
第二个参数：

这是一个打开文件的方式，
第三个参数：

这是代表着创建一个文件时，这个文件的默认权限是什么，起始权限为（0666）

扩展：

对于一个整形来说，有32个比特位，就可以看做有32个标志位。而这种标志位就是flags，flags利用了这种比特位级别的标志方式

接下来看看下面代码，这就是类似于想看哪里的标志位，就直接show(ONE)之类的

#define ONE (1<<0)//1
#define TWO (1<<1)//2
#define THREE (1<<2)//4
#define FOUR (1<<3)//8

void show(int flag)
{
	if(flag & ONE) printf("hello one\n");
	if(flag & TWO) printf("hello two\n");
	if(flag & THREE) printf("hello three\n");
	if(flag & FOUR) printf("hello four\n");
}

int main()
{
	printf("-----------------------------\n");
	show(ONE);
	printf("-----------------------------\n");
	show(TWO);
	printf("-----------------------------\n");
	show(FOUR|THREE);
	printf("-----------------------------\n");
	show(ONE|TWO|THREE);
	return 0;
}

运行结果：

所以，在open函数的内部就类似于上述的方法，定义宏，然后在open函数内部进行传参，然后通过"按位与"运算来进行判断

返回值：

open函数的返回值是返回的文件描述符,

接下来我们使用open函数，并且查看它的返回值，这里第二个参数采用的是以读的形式打开，如果在当前路径下没有找到文件，就创建文件，并且默认权限为0666

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

int main()
{
	int fp1 = open("log1.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
	int fp2 = open("log2.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
	int fp3 = open("log3.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
	int fp4 = open("log4.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
	int fp5 = open("log5.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
	int fp6 = open("log6.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
	printf("fp1 : %d\n",fp1);
	printf("fp2 : %d\n",fp2);
	printf("fp3 : %d\n",fp3);
	printf("fp4 : %d\n",fp4);
	printf("fp5 : %d\n",fp5);
	printf("fp6 : %d\n",fp6);
	return 0;
}

如上的运行结果如下，返回的这些整数就是文件描述符，那么为什么是从3开始而不是从0开始的呢？

这当然是因为进程启动的时候就已经默认打开了三个文件流，stdin，stdout，stderr，这三个文件占领了0，1，2，所以后面打开的文件就依次从3开始

接下来看看这些已经创建的文件的权限：

可以看到权限对应的是0664，但是我们传的明明是0666，这是为什么呢？

很简单，在前面的学习中我们了解到了文件的真正的权限等于默认权限 & (~umask)，系统中默认的umask为0002，所以默认权限0666变成真正权限就是0664

当然，我们也可以在代码中进行umask的修改，将umask置为0

这样，文件的真正权限就变为0666

2、close：

在打开文件后要记得关闭文件，关闭文件成功 返回0，关闭文件失败返回-1

3、write：

这个系统调用接口是向文件中写入数据，

解析：

第一个参数：

文件描述符，也就是打开文件时的返回值（open的返回值）

第二个参数：

写入的数据来源

第三个参数：

写入数据的字节数

如下就是一个先打开一个log.txt的文件，然后再向文件中写入字符串

int main()
{
	int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fail");
		return 1;
	}
	const char* message = "abcdefghijkl\n";
	write(fd,message,strlen(message));
	close(fd);
	return 0;
}

那么运行后再查看log.txt就可以看到我们已经把字符串写进去了

O_TRUNC：

这个宏作为第二个参数中，是打开文件后清空当前文件在写入

当如果是没有O_TRUNC宏的时候，对已经存在数据如下，

在进行写入数据的时候就会从开始写入，本来存在的数据并不会被清除

如果想清楚本来的数据，只需在open的第二个参数加上O_TRUNC这个宏即可

O_APPEND：

如果不想进行清空写入，也不想在最开始写入，我要在最后面追加写入，那么就在open的第二个参数加上宏O_APPEND即可

如下，就是在open上加上宏O_APPEND，然后在最后追加aaaaaaaaaaaaaaa

如下，一开始log.txt就是三行abcdefg...，然后在运行程序后，就可以看到在最后追加了一串a

四、文件描述符与FILE：

文件描述符：

当启动进程的时候内存会加载一个PCB （Linux中是task_struct）

这个task_struct结构体里面肯定有一个指针struct file_struct* file指向一个叫做struct file_struct的结构体

这个结构体里面有一个struct file* fd_array[ ]的指针数组，这个数组的下标就是文件描述符

这个指针数组里面存放的是struct file*的指针，每个指针指向struct file的结构体

这个struct file的结构体里边就是对文件属性进行管理

当我们打开一个文件的时候，会生成一个描述文件的结构体，然后进程会在struct file* fd_array[]（文件指针数组）里面找一个空位置保存刚刚创建描述文件的结构体的地址，然后再将这个数组的下标返回给用户，这个返回值就是open的返回值，最终，进程就可以根据这一张文件描述符表，就可以把我们打开的文件找到了

FILE：

FILE是C库中封装的一个结构体，因为Linux访问文件只看文件描述符，所以FILE这个结构体里面肯定封装了文件描述符，如下，stdin，stdout，stderr是FILE*类型的，所以里这三个结构体里面肯定分别封装了fd = 0，fd = 1，fd = 2

如果将stdout这个文件关闭了，那么就看不到输出在显示器上的数据了

但是可以继续往stderr里面输入，这个时候也可以看到了

这是因为stdout和stderr都是指向显示器文件，显示器文件有引用计数（事实上struct file结构体里面都有引用计数）

所以关闭stdout文件不会彻底关闭显示器文件

关闭文件的本质就是让struct file里面的引用计数-1，并且把文件描述符表里面指向这个struct file的下标置为空

当一个文件的引用计数减为0时，操作系统就会关闭该文件的文件描述符，但文件本身在文件系统中仍然存在，直到被删除