文件IO流 - 技术栈

IO使用函数

	标准IO	文件IO(低级IO)
打开	fopen, freopen, fdopen	open
关闭	fclose	close
读	getc, fgetc, getchar, fgets, gets, fread printf fprintf	read
写	putc, fputc, putchar, fputs, puts, fwrite scanf fscanf	write
操作文件指针	fseek	lseek
其它	fflush rewind ftell

文件描述符

当打开文件时，文件相关信息（如创建时间、所属者、操作权限等）会被加载到内存，操作系统用struct file结构体维护这些信息，多个打开的文件对应的struct file通过双向链表管理。

每个进程的进程控制块task_struct中，有一个指针files指向files_struct表。该表包含一个指针数组，数组中的每个指针指向内存中的一个struct file，实现进程与文件的连接。文件描述符是该数组的下标，通过它可定位内存中的文件。

数组前三个下标通常固定对应标准输入、标准输出和标准错误（perror）。

这三个文件描述符（0号-标准输入，1号-标准输出，2号-标准错误）在UNIX/Linux系统中被预设为进程的输入和输出通道，是为了方便程序与用户或者其他程序进行通信。

标准输入（stdin）：默认情况下，这是键盘输入的数据。如果程序需要从用户处接收输入，它就会从这个描述符读取数据。
标准输出（stdout）：默认情况下，这是显示器的输出。如果程序需要向用户显示信息，它就会写入这个描述符。
标准错误（stderr）：默认情况下，这同样是显示器的输出。不过，它专门用于输出错误信息。这样做的好处是，即使标准输出被重定向到其他位置（如文件），错误信息仍然可以显示给用户看。

这种设计可以大大增加程序的灵活性。例如，你可以通过重定向机制，将一个程序的标准输出作为另一程序的标准输入，这就形成了所谓的"管道"（pipe），能将多个程序连接起来，协同完成一项工作。这也是UNIX/Linux广受欢迎的一个重要原因。

总结：文件修饰符本质是一个数字，用于表示要操作文件在系统里抽象的文件指针数组里的下标，通过下标（文件修饰符）就可以通过函数来间接操作文件。

1：open函数

调用低级io相关函数一般我们会引入以下头文件：

复制代码

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

<fcntl.h> : 定义了open函数和相关的常量，如O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR, O_CREAT, O_EXCL等。
<unistd.h> : 定义了read, write, lseek, 和close函数，以及很多UNIX标准的系统调用。
<sys/types.h> : 通常包含了一些用于系统调用的数据类型定义，比如off_t, size_t等。
<sys/stat.h> : 如果你在调用open函数时需要设置文件权限，这个头文件中定义了文件权限相关的宏，比如S_IRUSR, S_IWUSR等

调用open()函数可打开或创建一个文件，其函数原型如下：

复制代码

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

返回值：返回一个新的文件描述符，指向打开的文件，如果调用失败则返回-1。如果返回-1，那么c程序会同时将错误信息状态码设为文件打开失败的对应信息，可以通过perror来显示
参数
- pathname：要打开或创建的文件的路径.相对于当前目录或使用绝对路径
- flags：指定程序对文件的操作权限和其他的设置
  - O_RDONLY 以只读方式打开文件：
  - O_WRONLY 以只写方式打开文件
  - O_RDWR 以可读写方式打开文件。上述三种旗标是互斥的，也就是不可同时使用，但可与下列的旗标**利用OR(|)**运算符组合。
  - O_CREAT 若欲打开的文件不存在则自动建立该文件。
  - O_EXCL 如果O_CREAT 也被设置，此指令会去检查文件是否存在。文件若不存在则建立该文件，否则将导致打开文件错误。
    
    此外，若O_CREAT与O_EXCL同时设置，并且欲打开的文件为符号连接，则会打开文件失败。
  - O_APPEND 当读写文件时会从文件尾开始移动，也就是所写入的数据会以附加的方式加入到文件后面。追加模式（写入时指针位于文件末尾）。
  - O_SYNC 以同步的方式打开文件。

mode：用于设置当文件创建时的权限，只有使用了O_CREAT，即创建文件才会生效。比如0664指所属用户以及用户组都是读写权限，其他用户则只有读权限(r:4 w:2 X:1)（x执行）
- 第一个6表示文件创建者的权限
- 第二个6表示文件所属组的权限
- 第三个4表示其他用户的权限
示例代码：

复制代码

int main()
{
    char *filename = "new_file.txt";
    int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT , 0666);
    if (fd == -1)
    {
        perror("无法创建文件");
        return 1;
    }
    return 0;
}

2：write函数

调用函数write()可向已打开的文件中写入数据，其函数模型如下：

复制代码

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数说明

fd（文件描述符）

：这是一个整数，作用是标识要写入数据的目标文件或设备。
- 像STDOUT_FILENO（标准输出，一般对应的值是 1），数据会默认输出到控制台。
- STDERR_FILENO（标准错误，通常值为 2），用于输出错误信息。
- 还可以是通过open()函数打开文件时返回的文件描述符。
buf：它是一个指向内存缓冲区的指针，里面存放着要写入磁盘的数据，一般是数组的地址。
count：表示要写入数据的字节大小，通常就是数组的大小。

返回值情况

成功时 ：函数会返回实际写入的字节数，这个返回值通常和参数count的值相同。
失败时 ：函数会返回 - 1，并且会设置errno变量来指示具体的错误类型。
部分写入情况 ：要是返回值大于 0 但小于count，这表明只写入了部分数据。此时，你需要再次调用write()函数，从缓冲区的剩余部分继续写入。

示例代码

1. 向标准输出（控制台）写入数据

复制代码

#include <unistd.h>

int main()
{
    char message[] = "Hello, World!\n";
    write(STDOUT_FILENO, message, sizeof(message) - 1);
    // 也可以直接使用1代替STDOUT_FILENO
    return 0;
}

2. 向文件写入数据

复制代码

int main() 
{
    char *filename = "new_file.txt";
    int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT , 0666);
    if (fd == -1)
    {
        perror("无法创建文件");
        return 1;
    }
    char buffer[] = "这是一个测试文件\n";
    ssize_t bytes_written = write(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);//sizeof(buffer) - 1 等价于 strlen(buffer),减去‘\0',不需要写入文件，只写入有效字符。
    if (bytes_written == -1) 
    {
        perror("写入失败");
    } 
    else 
    {
        printf("成功写入 %zd 字节\n", bytes_written);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

3. 处理部分写入的情况

复制代码

int main() 
{
    int fd = open("data.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    char buffer[] = "这是一个较长的数据，可能需要多次写入才能完成\n";
   
    size_t total_bytes = sizeof(buffer) - 1;//sizeof(buffer)计算数组总大小（包含字符串结尾的\0），减 1 后得到有效数据长度（不包含\0）。
    size_t bytes_written = 0;//记录已成功写入的字节数，初始化为 0。
   
    while (bytes_written < total_bytes)//只要未写入的字节数大于 0，就继续循环。
    {
        ssize_t result = write(fd, buffer + bytes_written, total_bytes - bytes_written);
        //buffer + bytes_written：指针偏移到未写入部分的起始位置。
        //total_bytes - bytes_written：计算剩余未写入的字节数。
        //result：本次实际写入的字节数（可能小于请求写入的字节数）。
        if (result == -1)
        {
            perror("写入失败");
            break;
        }
        bytes_written += result;
    }

    close(fd);
    return 0;
}

关键注意事项

文件打开模式的影响 ：如果文件是以O_APPEND模式打开的，那么每次调用write()时，数据都会被追加到文件的末尾，而文件偏移量会自动更新。
错误处理的重要性 ：在调用write()函数后，一定要检查返回值，以此来确保数据成功写入。常见的错误原因有磁盘已满、达到文件大小限制或者权限不足等。
写入二进制数据 ：write()函数可以用于写入任意类型的数据，包括二进制数据。不过在处理二进制数据时，要特别注意字节顺序和数据对齐的问题。
缓冲区和系统调用 ：由于write()是一个系统调用，频繁调用会带来一定的开销。所以，在实际应用中，通常会先将数据缓存到内存中，然后再批量写入。

3：read函数

调用函数read()可从打开的文件中读取数据：

复制代码

#include<unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数
- fd 文件描述符，这个文件描述符可以通过open()获得，也可以是标准输入STDIN_FILENO（值为 0）。
- buf 读取到的数据要存放到的地方(缓冲区地址)，一般是一个数组的地址
- count 要读取的最大字节数
返回值
- 成功：
  - 返回实际读取的字节数（范围是 0 到count）
  - 若返回值为 0，说明已经到达文件末尾（EOF），没有更多数据可读取。
- 失败：
  - 返回-1
注意
- 读普通文件时，在读到要求字节数之前已经达到了文件结尾。eg：若在达到文件尾端之前有30个字节，而要求读50个字节，则read返回30，下次在调用read时将返回0；
- 当从终端设备读时，通常一次最多读一行。
- 当从网络读时，网络中的缓冲机制可能造成返回值小于所要求读的字节数。

示例代码：

1. 从标准输入读取数据

复制代码

int main() 
{
    char buffer[100] = { 0 };
    ssize_t bytes_read = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytes_read == -1)
    {
        perror("读取失败");
        return 1;
    }
    printf("成功读取 %zd 字节\n", bytes_read);
    return 0;
}

2. 从文件读取数据（循环读取直到文件末尾）

复制代码

int main()
{
    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1)
    {
        perror("文件打开失败");
        return 1;
    }

    char buffer[50];
    ssize_t bytes_read;

    while ((bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer))) > 0) 
    {
        // 处理读取到的数据，例如打印
        write(STDOUT_FILENO, buffer, bytes_read);
    }

    if (bytes_read == -1)
    {
        perror("读取失败");
    }

    close(fd);
    return 0;
}

总结：

单次调用read()返回 0 → 未读取到任何数据。
循环中read()返回 0 → 文件已全部读完。

4：close函数

当打开一个文件之后，就会占据系统资源，如果我们使用完之后不及时清理，会造成资源的浪费，所以一般使用之后就会关闭文件，释放占用的资源

复制代码

#include <unistd.h>
int close(int fd);

注意：关闭已打开文件时会释放该进程加在该文件中上的所有记录锁。当一个进程终止时，内核自动关闭其所有已打开的文件。很多程序都利用这一功能而不是在程序中用函数close()关闭已打开的文件

5：lseek函数

每个文件都有一个与之相关联的文件偏移量，用以度量文件起始位置到当前位置的字节数。通常情况下，读写操作都是从当前文件偏移量处开始的，读写完成后，文件偏移量会自动增加所读写的字节数。打开一个文件后，该文件偏移量默认设置为0。通过设置偏移量就可以实现文件指定位置进行插入内容。

调用函数lseek()可显式的为打开的文件设置文件偏移量，用于改变文件的读写位置。其函数原型如下：

复制代码

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

参数
- fd: 文件描述符，是一个整数，表示要操作的文件。
- offset: 表示相对于whence所指定位置的字节数。这个值可以是正数（向文件末尾方向移动）、负数（向文件开头方向移动）或者 0（保持当前位置不变）。
- whence: 参考点，表示偏移量的起始位置。
  - whence的值可以是以下三个常量之一: SEEK_SET：从文件开始处计算偏移量(文件起始位置加offset个字节)。
SEEK_CUR：从当前位置计算偏移量(文件当前位置加offset个字节)。 SEEK_END：从文件结束处计算偏移量(文件末尾位置加offset个字节)。
返回值
- 成功: 返回新的文件偏移量，这个值是从文件起始位置开始计算的字节数。
- 失败：返回-1

函数lseek()仅将当前文件的文件偏移量记录在内核中，并不会引起任何I/O的操作，该文件偏移量用于下一次读写操作。

示例代码：

1. 将文件偏移量设置到文件开头

复制代码

int main()
{
    int fd = open("data.txt", O_RDWR);
    if (fd == -1)
    {
        perror("文件打开失败");
        return 1;
    }

    // 将文件偏移量设置到文件开头
    off_t new_offset = lseek(fd, 0, SEEK_SET);
    if (new_offset == -1)
    {
        perror("lseek失败");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 现在可以从文件开头开始读取或写入
    close(fd);
    return 0;
}

2. 计算文件大小

复制代码

int main() 
{
    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) 
    {
        perror("文件打开失败");
        return 1;
    }

    // 将文件偏移量设置到文件末尾，并获取新的偏移量（即文件大小）
    off_t file_size = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    if (file_size == -1)
    {
        perror("lseek失败");
        close(fd);
        return 1;
    }

    printf("文件大小为 %lld 字节\n", (long long)file_size);
    close(fd);
    return 0;
}

3. 定位到文件中间位置进行读取

复制代码

int main()
{
    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) 
    {
        perror("文件打开失败");
        return 1;
    }

    // 定位到文件中间位置
    off_t file_size = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    lseek(fd, file_size / 2, SEEK_SET);

    // 从文件中间位置开始读取数据
    char buffer[100];
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytes_read > 0) 
    {
        // 处理读取到的数据
    }

    close(fd);
    return 0;
}

写一个程序来实现文件复制功能：

复制代码

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

int main(int argc, char *argv[]) 
{
    char *fileName = "test.txt";
    char *otherName = "copy.txt";
    
    // 1: 打开文件：------------------------------
    int fd = open(fileName, O_RDWR );
    int fd2 = open(otherName, O_RDWR | O_CREAT, 0666 );
    
    if(fd == -1 || fd2 == -1)
    {
        perror("文件创建失败!");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 2: 对文件进行读或写操作：--------------------
    // 2-1: 读进数据
    char buf[64] = {0};
    int length = sizeof(buf) / sizeof(buf[0]);
    
    ssize_t size;
    while((size = read( fd, buf, length )) != 0)
    {
        // 2-2: 写出数据
        write( fd2, buf , size );
    }
    
    // 3: 关闭文件 ------------------------------
    close(fd);
    close(fd2);
    
    puts("---end---");
    
 return 0;
}