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前言
书接上文【Linux】进程控制（二）----进程程序替换、编写自主Shell命令行解释器(简易版)详情请点击查看，今天继续介绍【Linux】基础I/O----C语言文件操作与系统调用文件操作
一、文件知识补充
- Linux下一切皆文件（键盘、显示器、网卡、磁盘......），
文件 = 内容 + 属性（元数据），对文件的操作就是对文件内容或者文件属性做操作 - 访问一个文件，必须先将文件打开。访问文件就是对文件做增删查改，通过冯诺依曼体系我们可以知道CPU和内存打交道，不直接和输入、输入进行数据传输，因此访问文件时，要将文件加载到内存中
- 没有加载到内存中的文件，默认保存在磁盘中。我们对文件的学习就是学习
被打开的文件和未被打开的文件 - 对于0KB的空文件是占用磁盘空间的
- 磁盘是永久性存储介质，因此文件在磁盘上的存储是永久性的；磁盘是外设（即是输出设备也是输入设备）
- 磁盘上的文件本质是对文件的所有操作，都是对外设的输入和输出，简称IO
- 用户通过bash，启动进程，让进程通过操作系统（只有操作系统才能访问到磁盘）将文件打开，因此打开文件底层一定有使用系统调用打开文件
- OS中，一定存在大量被打开的文件，因此操作系统需要管理这些打开的文件（先描述，再组织），一定存在一个结构体描述被打开的文件，如同PCB结构一样
- 进程有task_struct，进程也会有打开的文件，我们研究被打开文件本质 就是研究：
进程与文件的关系
二、回顾C文件接口
C语言接口打开文件
- 下面是使用C语言打开文件(fopen接口)的代码
cpp
#include <stdio.h>
int main()
{
FILE *fp = fopen("myfile", "w");
if(!fp)
{
perror("fopen");
return 1;
}
fclose(fp);
return 0;
}
- fopen函数是C打开文件的接口，传入参数文件名、打开文件模式
- 打开文件模式为r、r+、w、w+、a、a+
- 当fopen函数调用成功返回一个FILE指针 （C语言提供的数据类型），失败返回NULL并设置错误码
- fclose函数
- 我们在上面代码基础上打印进程pid，并让进程死循环，监测进程
cpp
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("我是一个进程, pid : %d\n", getpid());
FILE *fp = fopen("myfile", "w");
if(!fp)
{
perror("fopen");
return 1;
}
while(1)
{
sleep(1);
}
fclose(fp);
return 0;
}
- 使用
ls /proc/[进程id] -l命令查看当前正在运行进程的信息，我们可以看到该进程中有cwd，这就是为什么我们fopen的第一个参数只传入文件名，会自动在当前工作路径目录下（/home/gy/117/code/linux/lesson5）新建文件：/home/gy/117/code/linux/lesson5/myfile
- 因此我们更改当前进程的工作路径，那么新建只有文件名的文件就会新建到指定路径：
chdir
- 从下面截图可以看到cwd变为了
/home/gy/117，在/home/gy/117路径下也看到了我们创建的文件myfile
- 因此，
打开一个文件必须要文件路径+文件名
C语言接口写文件
- C语言写入接口有很多：
fwrite、fputs、fputc，我们这里以fwrite来进行写入
const void *ptr：传入的写入数据size_t size：写入时的基本单元size_t nmemb：写入几个基本单元
- 下面代码，我们向myfile文件中写入一个字符串，C语言字符串结尾都是以'\0'结尾的，我们在传入写入单元大小时需不需要
strlen() + 1呢？ - 答案是
不需要，因此字符串以'\0'结尾是C语言的规定，如果写入到文本文件中，会乱码。所以不需要写入到文件中，当我们将数据从文件读取过来的时候，再在末尾加上'\0'即可
cpp
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("我是一个进程, pid : %d\n", getpid());
FILE *fp = fopen("myfile", "w");
if(!fp)
{
perror("fopen");
return 1;
}
const char* str = "hello linux\n";
fwrite(str, strlen(str), 1, fp);
fclose(fp);
return 0;
}我们发现：写入文件中，每次都是先将文件清空，再写入
w：以w方式打开，如果文件存在，会先清空文件内容再做写入；如果没有该文件，创建文件，再做写入a：以a方式打开，如果文件存在，会直接在文件末尾写入，不做清空；如果没有该文件，创建文件，再做写入- w+：以w+方式打开读和写，如果文件不存在，新建文件再读写（文件开头位置读写）
- a+：以a+方式打开读和写，如果文件不存在，新建文件，初始读的时候在文件的开始，写在文件末尾追加写入
r：以r方式打开，读操作，从文件开头处读- r+：以r+方式打开读和写，从文件开始
注意：一般文件读写不会同时打开，因为文件读写有读写位置。文件有文本文件和二进制文件，我们可以将文件看作一维数组，文件的读写位置就是数组下标：从文件的开头位置读写，就是从数组0下标开始，在文件末尾追加写入，就是从数组末尾写入
echo重定向
- 之前我们学习了echo 重定向和追加重定向到某个文件中
echo "123" > myfile：我们发现myfile中数据由hello linux -> 123，再次echo "123" > myfile，文件中依旧是123，> myfile文件直接被清空了。- echo在命令行输入之后，变为一个进程，重定向到myfile，一定要将文件打开（w方式打开）
echo "123" >> myfile：追加重定向（以a方式打开）
C语言接口读文件
- fread接口读取文件
- fread和fwrite的返回值比较特殊，返回值是读取或写入了几个基本单元大小
feof函数：检测是否读取到文件结尾
cpp
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("我是一个进程, pid : %d\n", getpid());
FILE *fp = fopen("myfile", "r");
if(!fp)
{
perror("fopen");
return 1;
}
while(1)
{
char buffer[1024];
buffer[0] = 0; //将数组清空
size_t n = fread(buffer, 1, sizeof(buffer) - 1, fp);
if(n > 0)
{
buffer[n] = 0;
printf("%s", buffer);
}
if(feof(fp))
{
break;
}
}
fclose(fp);
return 0;
}
- cat命令底层就是使用的读文件操作来实现的
三、stdin/stdout/stderr
补充知识
- 向显示器写入123，写入的是一个一个字符'1'、'2' 、'3'，而不是写入的int类型的123。所以显示器是字符设备
- 通过键盘输入的也是一个一个字符'1'、'2' 、'3'，而不是int类型123，所以键盘也是字符设备
- 这也是在C语言/C++中我们打印字符时要指明类型
printf("%d", x)：是将整型变量x = 123，变为字符'1'、'2' 、'3'，再使用int putchar(int c)将字符格式化打印在显示器上，所以printf函数是格式化输出 ；int a = 0; scanf("%d", &a):键盘输入的是字符'1'、'2' 、'3'，scanf函数将在键盘中获得的字符转换为整型123，再将其保存在a的空间中，所以scanf函数是格式化输入 - 显示器、键盘是
文本文件，二进制文件就是不需要 进行格式化工作、能直接保存的文件
stdin&stdout&stderr
- 进程启动时，会默认打开三个输入输出流（就是打开3个文件），分别是stdin、stdout、stderr（全局），这三个流的类型都是
FILE* stdin：标准输入->键盘文件stdout：标准输出->显示器文件stderr：标准错误->显示器文件
为什么要默认打开stdin、stdout、stderr
- 一个进程被调度，就是要使用CPU资源进行计算的，因此进程就需要从键盘获得数据，计算完之后，输出计算结果，计算出错了还得有输出错误，所以进程要默认打开stdin、stdout、stderr
输出信息到显示器上方法
printf、fprintf函数
cpp
int main()
{
const char* s1 = "hello printf\n";
printf(s1);
const char* s2 = "hello fprintf\n";
fprintf(stdout, s2);
return 0;
}fputs函数
cpp
int main()
{
const char* s1 = "hello printf\n";
printf(s1);
const char* s2 = "hello fprintf\n";
fprintf(stdout, s2);
const char* s3 = "hello fputs\n";
fputs(s3, stdout);
return 0;
}fwrite函数
- 因为向显示器打印就是向stdout中写入，stdout也是文件，也就可以调用文件写入接口，stdout也是FILE*类型
cpp
int main()
{
const char* s1 = "hello printf\n";
printf(s1);
const char* s2 = "hello fprintf\n";
fprintf(stdout, s2);
const char* s3 = "hello fputs\n";
fputs(s3, stdout);
const char* s4 = "hello fwrite\n";
fwrite(s4, strlen(s4), 1, stdout);
return 0;
}
四、系统调用接口实现文件的打开、写入
open函数
- 实际上打开一个文件，由于文件在磁盘中保存，只有操作系统才能管理磁盘，打开磁盘中文件，因此打开文件底层需要系统调用，我们学习的C语言打开文件接口其底层都是调用的open函数
- 当打开文件存在是调用两个参数的open函数；当打开文件不存在时，调用三个参数的open函数，因此文件不存在需要先创建文件，创建文件就要这是文件权限（r、w、x）
- 打开方式（flags）：
O_APPEND、O_CREAT、O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR、O_TRUNC - flags是一个整数，一个整数有32个比特位，
O_APPEND、O_CREAT...这些是宏，各自代表一个数字，每个数字都只有一个比特位是1
设计一个宏
- 我们实现一个版本显示函数，设置不同版本的宏
VERSION1 (1 << 0)、VERSION2 (1 << 1).....，通过函数ShowVersion传入宏来实现对应的显示
cpp
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#define VERSION1 (1 << 0) // 1 000001
#define VERSION2 (1 << 1) // 2 000010
#define VERSION3 (1 << 2) // 4 000100
#define VERSION4 (1 << 3) // 8 001000
#define VERSION5 (1 << 4) // 16 010000
void ShowVersion(int flags)
{
if(flags & VERSION1)
printf("VERSION1\n");
if(flags & VERSION2)
printf("VERSION2\n");
if(flags & VERSION3)
printf("VERSION3\n");
if(flags & VERSION4)
printf("VERSION4\n");
if(flags & VERSION5)
printf("VERSION5\n");
}
int main()
{
ShowVersion(VERSION1); //显示版本
printf("---------------------------\n");
ShowVersion(VERSION1 | VERSION2); //显示版本
printf("---------------------------\n");
ShowVersion(VERSION1 | VERSION3 | VERSION4); //显示版本
printf("---------------------------\n");
return 0;
} 通过传入不同的标志位来实现不同的显示，传入多个宏（用 | 连接）实现多个标志位的显示
使用open函数创建一个文件
- 系统调用关闭文件函数close
- 我们在打开文件时，如果文件不存在就需要默认创建该文件，则需要传入宏
O_CREAT：表示创建文件
cpp
int main()
{
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT);
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}
close(fd);
return 0;
} 这样创建出来一个文件，但是该文件权限乱码，所以我们新建文件时，必须传入权限 ，这里将文件权限设置为0666
cpp
int main()
{
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}
close(fd);
return 0;
}
- 我们设置权限为666，但是为什么最终显示文件权限是664呢？
- 原因是我们Linux系统中设置了umask = 0002，umask会限制掉对应的权限，把Others的W权限去掉了
- 如果我们想要创建权限为666的文件，则需要我们重设umask，系统调用函数umask
cpp
int main()
{
umask(0);
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}
close(fd);
return 0;
} 
write函数
- 上面open函数和close函数，我们已经实现了创建打开文件、关闭文件，现在我们在打开文件后进行写入操作
cpp
int main()
{
umask(0);
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}
const char* str = "1234567890\n";
write(fd, str, strlen(str));
close(fd);
return 0;
} 
- 当log.txt文件中已经保存了1234567890数据时，我们再次向该文件写入"abc"，可以看到，使用write系统调用，并没有像C语言接口一样，先清空文件中的数据，再写入；而是从文件开始写入
- 如果我们想要写入文件时先清空文件内容，再做写入，那么在打开文件时传入
O_TRUNC：打开文件时清空文件内容 open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666)就类似于C语言接口的fopen("log.txt", "w")- 如果要使用追加方式写文件，
open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666)中O_TRUNC（清空）改为O_APPEND，open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666)
cpp
int main()
{
umask(0);
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); // 类似于fopen("log.txt", "w")
//int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}
const char* str = "1234567890\n";
write(fd, str, strlen(str));
close(fd);
return 0;
}