【C++与Linux】文件篇（2）- 文件操作的系统接口详解

本系列主要旨在帮助初学者学习和巩固Linux系统。也是笔者自己学习Linux的心得体会。

这次文章我进行了改进，力求表达的更加清楚，我会引出这篇文章的知识点。和前置知识的准备。

通过这篇文章你能学到什么，一般理论知识点在前，实践在后面

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2. C++

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文章目录

• [1. 对于前置知识点的回忆，无缝进行衔接：](#1. 对于前置知识点的回忆，无缝进行衔接：)
• 2.Linux最底层的文件打开方式：`open()`
• • [2-1 参数`const char *pathname`解释：](#2-1 参数const char *pathname解释：)
  • [2-2 参数`int flags`标志位的解释：](#2-2 参数int flags标志位的解释：)
  • [2-3 第三个参数`mode_t mode`：](#2-3 第三个参数mode_t mode：)
• 3.底层写入方式：`write()`
• 4.底层读取方式`read()`：
• 5.三个基本打开的文件描述符：
• 总结：

1. 对于前置知识点的回忆，无缝进行衔接：

在上一篇文章中【C++与Linux基础】文件篇 -语言特性上的文件操作，我们提到了以下知识点：

1. Linux一切皆是文件。（只是简单的理解，并没有深入）
2. C语言提供的printf，fprintf，fgets，fread，fwrite，这几种接口
3. C语言提供的几种打开文件的模式：只读，只写，追加等等

这里我们将持续深入文件操作结合Linux系统来完成本篇文章，当你读完本篇文章，你会知道以下几点：

1. open 函数的参数解析（位图）；
2. 什么是fd（文件描述符）
3. 如何使用write/read/close
4. fd的分配规则（重定向的基础）

2.Linux最底层的文件打开方式：open()

open 函数是 Linux 系统中用于打开或创建文件的系统调用接口（System Call），它比 C 标准库的 fopen 更底层。

所需头文件如下：

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

函数原型如下：

对于已经创建好的文件：

int open(const char *pathname, int flags);

创建新文件（需要指定权限）：

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

2-1 参数const char *pathname解释：

这里的路径名称很简单：我们给出指定的文件名，如果前面不加路径，就是默认在进程所处文件下进行创建：

目标文件的路径（绝对路径或相对路径），例如 "data.txt" 或 "/home/user/log.txt"。

2-2 参数int flags标志位的解释：

决定文件的打开方式。必须包含以下访问模式之一（且只能选一个）：

• O_RDONLY：以只读方式打开。
• O_WRONLY：以只写方式打开。
• O_RDWR：以读写方式打开。（这个我们也用的少）

你可以通过按位或 (|) 运算符组合以下可选标志：

• O_CREAT：如果文件不存在，则创建它。注意：使用此标志时必须提供第三个参数 mode。
• O_APPEND：每次写操作都追加到文件末尾。
• O_TRUNC：如果文件存在且以写方式打开，将其长度截断为 0（清空内容）。
• O_EXCL：与 O_CREAT 连用，如果文件已存在，则返回错误（用于确保原子创建

你可能会在像传入这么多参数，计算机内部或者在调用的时候会不会混乱呢？

其实根本不会，这是因为flags 的实现原理基于计算机科学中最经典、最高效的设计之一：位掩码（Bitmask）。

在这里我们来简单的讲讲：

为了让多个参数互不冲突地存放在一个整数里，Linux 内核利用了二进制的特性。每一个标志（Flag）都对应整数中的特定的一位（bit）。

在这里我们假设：

我们规定每一位代表一种功能：

• 第 0 位：O_WRITE (写模式) -> 0000 0001 (十进制 1)
• 第 1 位：O_CREAT (创建) -> 0000 0010 (十进制 2)
• 第 2 位：O_APPEND (追加) -> 0000 0100 (十进制 4)
• 第 3 位：O_TRUNC (截断) -> 0000 1000 (十进制 8)

我们这里传入不同的值进行按位或，这里只要1就会在不同的位置会保留下来，在内部在通过与特定的位置进行按位与，只要是1，就说明满足了，就开始这个模式。

我们可以来写一个简单的程序来验证一下：

#define A 1
#define B 2
#define C 4
#define D 8

void print(int flags){
    if(flags & A) printf("A is there\n");
    if(flags & B) printf("B is there\n");
    if(flags & C) printf("C is there\n");
    if(flags & D) printf("D is there\n");
}


int main()
{
    print(A | D);
    return 0;
}

这个代码就巧妙的解释了为什么可以通过位图的方式来完成控制。这段代码非常标准。位运算是 C 语言和系统编程的灵魂之一，它用最少的内存（一个 int）管理了多个开关状态，既高效又优雅。

2-3 第三个参数mode_t mode：

当我们文件不存在的时候，我们进行创建的时候，需要传入这个参数，如果不传入呢，代码如下，结构如下：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h> //这个是用来关闭文件的close


int main()
{
    int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND);
    close(fd);
    return 0;
}

我们可以看到的确创建了新的文件在里面，但是权限似乎不大对劲，怎么和其他的普通文件不一样嘞。其实这里就是漏传了 mode的值。我们尝试传入便有：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h> //这个是用来关闭文件的close


int main()
{
    int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    close(fd);
    return 0;
}

这里为什么会变成0664 ，当然是我们系统自带的掩码了，其实我们也可以在自己的程序里面也是用掩码。这里本质的来说还是shell设置了掩码，掩码是使用就近原则的。

3.底层写入方式：write()

需要的头文件：

#include <unistd.h>

函数参数如下：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数详解：

参数	含义
fd	文件描述符 。由 open 返回的那个整数。
buf	缓冲区首地址。指向你要写入的数据存放的地方（通常是字符串指针或数组）。
count	字节数。期望写入的字节长度。

这个还是比较简单的，我们直接来应用一手：

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

int main()
{
    int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND);
    if(fd == -1){
        perror("open fail");
        exit(1);
    }
    
    char* msg = "hello world\n";
    int cnt = 5;
    while(cnt--){
        ssize_t ret  = write(fd,msg,strlen(msg));//注意这里是ssize_t。还有我需要打印给我看，不需要/0
        if(ret == -1){
            perror("write fail");
            exit(1);
        }
    }

    close(fd);

    return 0;
}

这里我们就打开创建了log.txt这个文件，完成向里面写入:

可以看到里面的确写入完成了。

4.底层读取方式read()：

函数原型：

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

参数详解：

• fd 还是文件描述符，从指定的文件中读取。
• buf 缓冲区，从fd读取到这里来，
• count 请求读取的字节大小，通常是buf的字节大小

read 的返回值 (ssize_t) 有三种情况，这是写代码时的核心逻辑：

• 大于 0 (> 0)：成功读取的字节数。
  注意：这个数字可能小于你请求的 count（例如文件快读完了，或者你请求读100个字节但文件只剩5个字节）。
• 等于 0 (= 0)：End of File (EOF)。
  代表文件已经读完了，后面没有数据了。这是结束读取循环的标志。
• 等于 -1 (= -1)：出错。
  比如文件被以外关闭、硬件错误等。需要检查 errn

这个也是比较简单的，这里我们也来尝试简单使用一下：

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


int main()
{
    int fd = open("log.txt",O_RDONLY);
    if(fd == -1){
        perror("open error");
        exit(1);
    }

    char buff[1024];
    ssize_t ret = read(fd,buff,sizeof(buff) -1);//留一个给/0
    if(ret < 0){
        perror("read error");
        exit(2);
    }
    if(ret == 0){
        printf("over");
    }
    if(ret > 0){
        buff[ret] = 0;
        printf("%s",buff);
        printf("%d",fd);//顺便来看看fd是什么？
    }
    close(fd);
    return 0;
}

我们可以看到打印成功了，同时也显示了fd 的值为3.那么这个fd是什么呢？

5.三个基本打开的文件描述符：

代码最后问了 fd 是什么。 在 Linux 中，进程启动时默认打开三个文件描述符：

0: 标准输入 (stdin)

1: 标准输出 (stdout)

2: 标准错误 (stderr)

这三个是基本打开的，我们的程序在跑起来的时候，基本就是打开的。

FD	名称	默认设备	你的理解	对应的库函数
0	stdin	键盘	这里进数据	scanf, getchar, cin
1	stdout	显示器	这里出正常结果	printf, cout
2	stderr	显示器	这里出报错信息	perror, cerr

有了这个基础，我们后面就可以后面就可以讲重定向了。重定向是怎么实现的了。

总结：

write/read/close 是 Linux I/O 体系的"骨架"。它们既是用户程序与硬件交互的唯一通道，也是操作系统抽象硬件差异、统一资源管理接口的具体实现载体。虽然直接使用它们可能不如库函数高效（缺乏缓冲），但它们提供了对 I/O 行为最精确的控制能力。

已经完成了，感谢各位。希望有所收获。

感谢各位对本篇文章的支持。谢谢各位点个三连吧！

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