【Linux】文件操作、系统IO相关操作、inode和输入输出重定向

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动图描述

1、理解文件

1.1 狭义理解

文件在磁盘里
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）
对磁盘上所有文件的操作本质都是对外设的输入和输出，简称IO

1.2 广义理解

Linux下一切皆文件（键盘、显示器、网卡、磁盘……这些都是抽象化的过程）。

1.3 文件操作

对于OKB的空文件是占用磁盘空间的
文件 = 文件属性 + 文件内容
所有的文件操作本质是文件内容操作和文件属性操作

1.4 系统角度

对文件的操作本质是进程对文件的操作
磁盘的管理者是操作系统
文件的读写本质不是通过C/C++的库函数来操作的（这些库函数只是为用户提供方便），而是通过文件相关的系统调用接口来实现的

2、系统文件IO

2.1 文件相关操作

C语言中文件操作，在操作一个文件之前我们首先要打开它，那么在学了一段时间操作系统后，你知道在操作一个文件之前为什么要先打开吗？
文件存储在磁盘上，CPU执行进程访问文件，而CPU不能直接访问磁盘，所以对于存储在磁盘上的文件如果要被进程访问，首先应该加载到内存中，所以打开文件的过程就是将文件从磁盘加载到内存。

以“w”方式打开文件，这个文件首先被清空然后再写入，也就是如果我们只打开文件但不写入就直接关闭，这个文件就会被清空。
前面我们学习过输出重定向操作符“>”，> file：也是先打开文件然后才操作，如果文件不存在则创建，如果文件存在则清空。

在学习C语言文件操作的时候我们就知道，任何一个程序在启动的时候默认要打开三个文件流stdin、stdout、stderr，C++中也有cin、cout、cerr，其他语言也会支持类似的特性，那么是谁打开呢？通过前面的学习不难推测出是进程默认会打开三个输入输出流。

下面是几种往显示器上输出的方式：

在这里插入图片描述

我们所用的C文件接口，底层一定是封装对应的文件类系统调用，C库函数有：fopen、fclose、fwrite、fread，对应系统调用接口有：open、close、write、read。其中fopen底层封装的是系统调用接口open，fclose封装的是close等。

在这里插入图片描述

通过一个参数可以传递多个信息：

#include <stdio.h>#define ONE (1<<0)
#define TWO (1<<1)
#define THREE (1<<2)
#define FOUR (1<<3)
#define FIVE (1<<4)void test(int flags)
{if (flags & ONE){printf("one\n");}if (flags & TWO){printf("two\n");}if (flags & THREE){printf("three\n");}if (flags & FOUR){printf("four\n");}if (flags & FIVE){printf("five\n");}
}int main()
{test(ONE);printf("\n");test(ONE | TWO);printf("\n");test(ONE | TWO | THREE);printf("\n");test(ONE | TWO | THREE | FOUR);printf("\n");test(ONE | TWO | THREE | FOUR | FIVE);printf("\n");return 0;
}

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open选项：
在这里插入图片描述

简单touch命令：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc, char *argv[])
{open(argv[1], O_CREAT | O_WRONLY, 0666);return 0;
}

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2.2 文件描述符

open返回值（文件描述符）：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
从上面的测试中可以看到，默认打开几个文件，文件描述符为什么从3开始呢？
其中的原因文章开头就已经提到过，因为一个程序在启动前默认会打开三个文件流stdin、stdout、stderr，怎么证明这件事呢？

yjz@hcss-ecs-8f13:~/linux/text_4.11.15$ ./filecode
hello world
hello world
Are you ok?
yjz@hcss-ecs-8f13:~/linux/text_4.11.15$ cat filecode.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{char buffer[100];ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer));if (s > 0) //实际读到的字节大小{buffer[s - 1] = 0;printf("%s\n", buffer);}const char *str = "Are you ok?\n";ssize_t w = write(1, str, strlen(str)); return 0;
}

可以看出stdin文件流的文件描述符是0， stdout文件流的文件描述符是1。

在这里插入图片描述
通过上面的草图，所以fd（文件描述符）究竟是什么呢？其实fd就是数组下标，我们通过这个下标来管理文件，在系统层面，fd是访问文件的唯一方式。

yjz@hcss-ecs-8f13:~/linux/text_4.11.15$ make
gcc -o filecode filecode.c
yjz@hcss-ecs-8f13:~/linux/text_4.11.15$ ./filecode
stdin : 0
stdout : 1
stderr : 2
pf : 3
yjz@hcss-ecs-8f13:~/linux/text_4.11.15$ cat filecode.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{printf("stdin : %d\n", stdin->_fileno);printf("stdout : %d\n", stdout->_fileno);printf("stderr : %d\n", stderr->_fileno);FILE *pf = fopen("log.txt", "w");printf("pf : %d\n", pf->_fileno);return 0;
}

FILE是C语言封装的一个文件流类型的结构体。

系统调用接口write、read已经能实现往显示器文件中读和写，为什么语言（以C语言为例）还要做封装呢？
如果我们想在显示器上打印整型1234，而显示器只认字符，所以我们就需要先把1234转换为4个字符，在通过write写到显示器上，这样很麻烦，所以通过对write封装，得到一个printf函数，我们想打印任何类型都可以通过指定打印类型就可以完成打印，底层的复杂转换就不需要我们自己动手了。
在这里插入图片描述

进程打开文件，需要给文件分配新的fd，fd的分配规则是分配最小的、没有被使用的fd。

int main()
{close(1);int fd1 = open("log1.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);int fd2 = open("log2.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);int fd3 = open("log3.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);int fd4 = open("log4.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);printf("fd1 : %d\n", fd1);printf("fd2 : %d\n", fd2);printf("fd3 : %d\n", fd3);printf("fd4 : %d\n", fd4);fflush(stdout);close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);return 0;
}

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2.3 重定向

printf函数只认文件描述符fd，默认向显示器文件（fd为1）中写入，如果我们手动关闭显示器文件，再打开其他文件，则空的fd为1的这个位置就会分配给别的文件，所以printf就会写入到这个文件中。
向上面这种改变file_struct中文件指针的过程就是重定向的过程。

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这是因为./mypipe默认是向stdout中写入，所以./mypipe > test.txt只是改为向test.txt中写入，而stderr本身也是标准文件流，不会被重定向到test.txt中。
那么这里就会有一个疑问，为什么C/C++标准输入是一个，而标准输出有两个呢？（stdout/stderr、cout/cerr）

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注意：这里的2和>之间不可以有空格，2>在一起的时候才表示错误输出。

输出时可以将正确和错误的信息分离，方便我们做调式。

系统调用接口dup2可以实现输出重定向：
在这里插入图片描述

int main()
{int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);dup2(fd, 1);printf("printf fd : %d\n", fd);fprintf(stdout, "fprintf fd : %d\n", fd);fputs("fputs fd\n", stdout);const char *str = "fwrite fd\n";fwrite(str, 1, strlen(str), stdout);return 0;
}

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对于stdout来说它管只找fd为1的文件，本来fd为1的文件是显示器，通过dup2系统调用将fd为1的位置分配给文件log.txt，最终我们向stdout中输出就输出到了文件log.txt中。

dup2可以实现输入重定向：

int main()
{int fd = open("log.txt", O_RDONLY);dup2(fd, 0);char buffer[1024];size_t r = read(0, buffer, sizeof(buffer));if (r > 0){buffer[r] = 0;printf("stdin redir: \n%s\n", buffer);}return 0;
}