C文件操作与系统IO

雾岛听蓝2026-03-13 19:29

1. 文件

  • 文件在磁盘上的存储是永久性的
  • 对外设的输入和输出操作，简称IO
  • 0 KB 的空文件是占用磁盘空间的
    • 文件 = 属性（元数据）+ 内容

2. C文件接口

2.1 打开文件并写入

cpp 复制代码 
#include <cstdio>
#include <cstring>

int main()
{
    FILE *fp=fopen("myfile","w");
    if(!fp)
    {
        perror("fopen");
        return 1;
    }

    const char *msg="hello ssp!\n";
    int count=5;
    while(count--)
    {
        fwrite(msg,         //要写的数据
            strlen(msg),    //一条数据的大小
            1,              //要写几条数据
            fp              //文件指针(写到哪里)
        );
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

2.2 读取文件内容

cpp 复制代码 
#include <cstdio>
#include <cstring>

int main()
{
    FILE *fp=fopen("myfile","r");
    if(!fp)
    {
        perror("fopen");
        return 1;
    }

    char buf[1024];

    while(1)
    {
        size_t s=fread(buf, //要写入的位置
            1,              //读取的每个单元的大小
            sizeof(buf)-1,  //一次读取多少单元
            fp              //从什么文件读
        );

        if(s>0)
        {
            buf[s]=0;   //要按字符串方式打印，在末尾加/0
            printf("%s",buf);
        }
        if(feof(fp))    //判断文件是否读取结束
            break;
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

2.3 输入输出流

  • C会默认打开三个输入输出流
    • stdin --- 标准输入
    • stdout --- 标准输出
    • stderr --- 标准错误

2.4 文件打开方式

  • r --- 读方式；文件不存在报错
  • r+ --- 读写方式；文件不存在报错
  • w --- 写方式，打开会自动清空文件；文件不存在则创建
  • w+ --- 读写方式，打开自动清空文件；文件不存在则创建
  • a --- 写方式，追加内容方式打开，不会清空文件，只能写；文件不存在则创建
  • a+ --- 读写方式，追加内容方式打开，不会情况文件，又能写又能读；文件不存在则创建

3. 系统文件I/0

  • 系统才是打开文件最底层的方案

3.1 写入文件

cpp 复制代码 
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    int fd=open("myfile",O_WRONLY | O_CREAT,0664);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    int cnt=6;
    const char *msg="hello sp!\n";
    while(cnt--)
    {
        write(fd,msg,strlen(msg));
    }

    close(fd);
    return 0;
}

3.2 读文件

cpp 复制代码 
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    int fd=open("myfile",O_RDONLY);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buf[1024];
    while(1)
    {
        ssize_t s=read(fd,buf,sizeof(buf)-1);
        if(s>0)
        {
            buf[s]=0;
            printf("%s",buf);
        }
        else
            break;
    }

    close(fd);
    return 0;
}

3.3 接口介绍

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
  • 参数列表
    • pathname：要打开或创建的目标文件
    • flags：打开方式，用一个或多个通过"或"运算构成
      • O_RDONLY：只读打开
      • O_WRONLY：只写打开
      • O_RDWR：读、写打开
      • O_CREAT：若文件不存在，则创建它；需要搭配使用mode选项，指明新文件的访问权限
      • O_APPEND：追加写
      • O_TRUNC：打开时清空文件
  • 返回值
    • 成功：新打开的文件描述符
    • 失败：-1

3.4 系统调用和库函数

  • 上面的fopen，fclose，fread，fwrite是C标准库中的函数，叫做库函数
  • open，close，read，write是系统提供的接口，叫做系统调用接口
  • 库函数封装了系统调用接口

3.5 文件描述符fd

3.5.1 0，1，2

  • 默认情况下，Linux进程会打开三个文件描述符

    • 标准输入0，对应的物理设备一般是键盘
    • 标准输出1，对应的物理设备一般是显示器
    • 标准错误2，对应的物理设备一般是显示器

  • 每个进程都有一个 *files 指针，指向一张 files_struct 表，该表最重要的部分就是一个指针数组

    • 本质上，文件描述符就是该指针数组的下标
    • 只要拿着文件描述符，就能找到对应的文件

3.5.2 文件描述符分配规则

  • stdin:0，stdout:1，stderr:2
  • 新开的文件文件描述符从3开始递增
  • 在 files_struct 数组中，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

3.5.3 重定向

cpp 复制代码 
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    close(1); // 关闭stdout对应的文件描述符
    int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_TRUNC | O_CREAT, 0664);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd:%d", fd); // fd:1
    fflush(stdout);
    close(fd);
    exit(0);
}
  • 本该输出到显示器上的内容，输出到了文件 myfile 中，而且 fd=1，这叫输出重定向
  • 常见重定向
    *

    ：输出重定向，会删除原来的内容

    • ：追加重定向，不删除原来内容

    • <：输入重定向

3.5.4 使用 dup2 系统调用

cpp 复制代码 
#include <unistd.h>

int dup2(int oldfd, int newfd)
  • 功能：用 newfd 替换 oldfd
  • 参数：
    • oldfd：旧的文件描述符
    • newfd：新的文件描述符
  • 返回值
    • 成功，返回新的文件描述符
    • 失败，返回-1
cpp 复制代码 
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    int fd=open("myfile",O_WRONLY | O_CREAT,0664);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    dup2(fd,1); //让原本应该打印到显示器的内容输入到 myfile 中
    while(1)
    {
        char buf[1024]={0};
        ssize_t read_size=read(0,buf,sizeof(buf)-1);
        //从显示器读取内容
        if(read_size<0)
        {
            perror("read");
            break;
        }
        printf("%s",buf);
        fflush(stdout);
    }
    return 0;
}

4. 重新理解"一切皆文件"

  • 开发者仅需要使用一套 API 和开发工具，即可调取 Linux 系统中绝大部分的资源

5. 缓冲区

5.1 什么是缓冲区

  • 缓冲区是内存空间的一部分
  • 在内存空间中预留了一定的存储空间，用来缓冲输入和输出的数据，这部分预留的空间就是缓冲区
  • 可分为输入缓冲区和输出缓冲区

5.2 为什么引入缓冲区

  • 系统调用是有成本的，频繁调用会降低效率，所以C语言提供了对应的缓冲区，printf等就是把数据拼接到缓冲区中，未来一次刷新就可以了
  • 减少磁盘的读写次数，再加上计算机对缓冲区的操作大大快于对磁盘的操作，故应用缓冲区可以大大提高计算机的运行速度

5.3 缓冲类型

  • 标准I/O提供了三种类型的缓冲区
    • 全缓冲区
      • 满了刷新，效率最高，普通文件采用这种刷新方式
    • 行缓冲区（行刷新）
      • 遇到换行符时，标准I/O库函数将会执行系统调用操作，显示器用这这种缓冲区
    • 无缓冲区（立即刷新）
      • 标准I/O库不对字符进行缓冲，直接调用系统调用，如标准错误流stderr
  • 引发缓冲区刷新的其他情况
    • 缓冲区满时
    • 执行flush语句，把C标准缓冲区里的数据，强制刷新到内核，如 fflush(stdout);
    • 进程结束
  • 使用库函数调用 close 时，有数据还在C语言缓冲区里，必须强制刷新到文件内核缓冲区之后再close，否则不会写入到文件中
cpp 复制代码 
	printf("hello world: %d\n", fd);
    fflush(stdout);
    close(fd);
    //你的代码 
    //    ↓ 
    //【C 标准缓冲区】（库函数自带，在用户态） 
        ↓ 
    //【内核缓冲区】（系统调用管理）
        ↓ 
     //磁盘文件

5.4 FILE

  • 本质上，访问文件都是通过 fd 访问的
  • C语言库中的 FILE 结构体内部，必定封装了 fd
cpp 复制代码 
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    const char *msg0 = "hello printf\n";
    const char *msg1 = "hello fwrite\n";
    const char *msg2 = "hello write\n";
    printf("%s", msg0);
    fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);
    write(1, msg2, strlen(msg2));
    fork();
    return 0;
}

  • 直接运行结果和输出重定向不同

    //直接运行
    hello printf
    hello fwrite
    hello write

    //输出重定向./a.out > myfile
    hello write
    hello printf
    hello fwrite
    hello printf
    hello fwrite

  • ⼀般C库函数写入文件是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲的

  • 原因

    • 直接运行是在显示器写入，是行刷新
    • 向文件写入是全缓冲
    • 重定向改变了文件的写入方式
    • 我们放在缓冲区中的数据不会立即刷新，但是fork之后，父子数据发生写时拷贝，父进程准备刷新的时候，子进程有了同样的一份数据，随机产生了两份数据
    • write 没有变化，说明没有所谓的缓冲

  • printf，fwrite库函数自带缓冲区，而 write 系统调用没有带缓冲区

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