操作系统之系统IO

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🚀 今天来学习C语言的相关知识。

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[1. 文件的概念](#1. 文件的概念)

[2. C语言文件操作接口](#2. C语言文件操作接口)

[3. 系统调用与文件I/O](#3. 系统调用与文件I/O)

1. 文件的概念

狭义理解：
- 文件是存储在磁盘上的永久性数据，通过磁盘进行I/O操作。
广义理解：
- 在Linux中，几乎一切都可以看作是文件（包括硬件设备如键盘、显示器、磁盘、进程等）。
文件操作：
- 文件包括文件的元数据和内容，所有操作可以分为文件内容操作和文件属性操作。
- 文件操作并非是通过C/C++语言库函数进行实现的，而是通过调用文件相关的系统的接口进行实现的的。

2. C语言文件操作接口

打开文件 ：使用 fopen() 来打开文件，可以选择不同的文件模式（如 r, w, a 等）。

写入文件 ：使用 fwrite() 向文件写入数据，fclose() 用于关闭文件。
读取文件 ：使用 fread() 从文件中读取数据，feof() 用于检测文件末尾。
标准输出 ：可以使用 printf()、fwrite() 或 fprintf() 向标准输出流（stdout）输出数据。

#include<stdio.h>
int main()
{
FILE* fp=fopen("file","W");
if(!fp)
{
printf("fopen error");
}
while(1);
fclose(fp);
return 0;
}

简单回顾程序执行：

cwd：指向当前进程运行目录的一个符号链接。
exe：指向启动当前进程的可执行文件（完整路径）的符号链接。
打开文件，本质是进程打开，所以，进程知道自己在哪里，即便文件不带路径，进程也知道。由此OS就能知道要创建的文件放在哪里。

3. 系统调用与文件I/O

打开文件的方式不仅仅是fopen，ifstream等流式，语言层的方案，其实系统才是打开文件最底层的方案。不过，在学习系统文件IO之前，先要了解下如何给函数传递标志位，该方法在系统文件IO接口中会使用到标志位

3.1标志位传递方法

复制代码

#include<stdio.h>
#define ONE_FALGE 1<<0
#define TWO_FALGE 1<<1
#define THR_FALGE 1<<2 
void Print(int falge)
{
   if(falge & ONE_FALGE)
   {
     printf("ONE_FALGE");
   }
   if(falge& TWO_FALGE)
   {
     printf("TWO_FALGE");
   }
   if(falge&THR_FALGE)
   {
    printf("THR_FALGE");
   }
 }
  int main()
 {
    Print(ONE_FALGE|TWO_FALGE);
    printf("\n");
    Print(ONE_FALGE|TWO_FALGE);
    printf("\n");
    Print(ONE_FALGE|TWO_FALGE|THR_FALGE);
    printf("\n");                                                                  
 }

3.2系统调用

除了C语言的标准库函数，文件操作也可以通过系统调用（如 open(), write(), read()）直接与操作系统交互。这些系统调用是与内核直接交互的底层接口。

3.2.1open

常用标志位：

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，则创建该文件。

O_APPEND：以追加模式打开文件。

O_TRUNC：如果文件已经存在，并且以写模式打开，则将文件的大小截断为零，丢弃文件的内容。

3.2.2权限掩码（umask）

复制代码

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{
    int id=open("file",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,666);
    if(id<0)
    {
        perror("open\n");
    }
    return 0;
}

为什么会出现这样的情况？(我们设置文件权限为666但是实际权限只有664)

权限掩码：作用是控制文件和目录的访问权限，确保系统的安全性和资源的正确使用。在操作系统中，文件和目录通常会有不同的用户角色（如文件所有者、同一组用户和其他用户），每个角色可以对文件或目录执行不同的操作。权限掩码通过设置这些权限来定义哪些用户可以执行哪些操作。

文件掩码的权限会在创建文件时被隐藏。

在程序中定义权限掩码：

umask函数

将权限掩码设置为0：

复制代码

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main()
{
    umask(0);
    int id=open("file",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,666);
    if(id<0)
    {
        perror("open\n");
    }
    return 0;
}

3.3文件描述符

通过 open() 返回的文件描述符（一个小整数）管理打开的文件。每个进程有自己的文件描述符表。

此时的open返回值就是file文件的描述符：

3.3.1操作系统

通过这张表我们可以清楚认识到，所谓的C/C++中的文件操作的函数本质上都是对系统接口函数的封装。

3.3.2默认文件描述符0&1&2

复制代码

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main()
{
    umask(0);
    int id1=open("file1",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
    int id2=open("file2",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
    int id3=open("file3",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
    printf("%d\n",id1);
    printf("%d\n",id2);
    printf("%d\n",id3);
    return 0;
}

Linux默认会打开三个文件描述符分别是0,1,2

0:标准输入 1：标准输出 2：标准错误
他们对应的物理设备分别为：键盘，显示器，显示器

3.3.3文件描述符的分配规则

文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。

|-----------|-----------|-----------|
| 操作： | 默认打开0，1，2 | 关闭文件描述符：0 |
| 打开的文件描述符： | 3，4，5 | 0，3，4 |
| 结论： | 在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。 ||

3.4重定向

通过关闭标准输出 (stdout，文件描述符 1) 并将其指向文件，可以实现输出重定向，常见的有 >（输出重定向）和 <（输入重定向）。

重定向简单原理：

复制代码

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    close(1);
    int id1=open("file1",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
    int id2=open("file2",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
    int id3=open("file3",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
    printf("%d\n",id1);
    printf("%d\n",id2);
    printf("%d\n",id3);
    return 0;
}

当默认的标准输出流被关闭时，file1 会占据文件描述符 1（标准输出）。此时，printf 使用文件描述符 1 来确定输出目标，因此其输出会被写入到 file1 中。

解释： 重定向的原理是通过修改文件描述符的指向，使其指向新的文件或设备，从而改变程序的输出路径。