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前言

在C语言中，FILE结构体一定封装了诸如文件描述符等字段，使得C语言文件操作的库函数可以很好的调用系统调用，因此程序员可以更加方便地使用高级接口来完成任务，而无需深入了解底层系统调用的实现细节。

这篇博客将带领大家深刻理解C语言文件操作函数底层是如何封装系统调用接口，以及C语言用户级缓冲区的现象。

注：本篇博客不是为了造一个更好的轮子，而是重在理解！！！

一、FILE结构体设计

（以上是库封装的FILE相关字段）

我们知道，C语言的文件操作函数底层必定会调用系统调用接口，而在往期博客中我们知道，文件相关的系统调用接口都是由文件描述符来定位文件的，因此，FILE结构体必定封装了文件描述符。

而我们这篇博客还要实现缓冲区现象，因此，FILE结构体还会封装维护缓冲区的相关字段。

• _fileno：文件描述符。
• outbuffer：输出缓冲区。需要注意的是，用户级缓冲区通常是通过动态内存分配函数（如malloc或new）在堆区分配的，大小是不固定的。
• out_pos：当前缓冲区字符的个数。

二、fopen函数

C语言中文件打开操作fopen底层调用了系统调用接口open

open函数的更多详细用法请查看此篇博客：点击跳转

// fopen函数模型
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
// path: 文件的路径
// mode: 文件的打开方式

文件打开的方式mode有很多种，大家可以通过man手册查询，这里我重点实现以下常见的三种：

• "w": 以只写的方式打开方式。文件不存在会自动创建，并且每打开一次都会将文件内容清空再写入。

• "a": 以追加的方式打开文件。文件不存在会自动创建，不会对文件原有的内容做清空，而是追加写入。

• "r": 以只读的方式打开文件，文件不存在会报错。

此外，当使用fopen函数打开文件，对于普通文件，默认情况下会使用全缓冲来刷新缓冲区，即直到缓冲区满了或者遇到'\n'才将缓冲区中的内容写入磁盘。

二、fwrite函数

C语言中文件写入操作fwrite底层也调用了系统调用接口write

write函数的更多详细用法请查看此篇博客：点击跳转

// fwrite函数模型
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

• ptr：指向要写入的数据块的指针。通常使用void*类型的指针，可以传递任何类型的数据块。需要注意的是，ptr指向的数据必须与size和nmemb参数相对应，即size * nmemb表示要写入的总字节数。

• size：要写入每个数据块的字节数。

• nmemb：要写入的数据块的数量。表示要写入多少个数据块。

• stream：指向要写入的文件的指针。需要使用标准库函数fopen()成功打开文件后，将返回的文件指针作为参数传递给fwrite()函数。

• 以nmemb值充当返回值。

用户调用fwrite时，并不会直接将内容直接写入文件中，而是将数据写入到用户级缓冲区，然后通过一定条件，再将缓冲区的内容写入到文件中。详细步骤如下：

1. 判断当前用户级缓冲区是否被填满。如果满了，先对缓冲区刷新，再进行后续操作。
2. 如果遇到'\n'，就将'\n'之间的字符全部刷新。
3. 若不满足条件继续将字符往缓冲区里塞。

三、fflush函数

当用户调用fflush函数时，不管缓冲区是否满了还是什么，直接刷新。因此，fflush函数一定封装了系统调用接口write

// fflush函数原型
int fflush(FILE *stream);

四、fclose函数

fclose()函数是C语言标准库中用于关闭文件流的函数。它的作用是将缓冲区中剩余的数据写入到文件中，并释放系统资源。因此它的底层必定会调用fflush函数以及系统调用close()

int close(int fd);

五、总结及相关代码

• 数据到达文件一共要执行3次拷贝，第一次是拷贝到用户级缓冲区、第二次是拷贝到系统级缓冲区、最后一次则是真正写入文件中（第二次到第三次是由操作系统帮我们完成的）。

• 在模拟实现fwrite时，我们将一个字符一个字符拷贝到缓冲区，不满足条件，如缓冲区没有满或者没有遇到'\n'就继续拷贝至缓冲区，这不是变相减少了调用系统调用的次数，从而提高IO效率！

本篇博客相关代码：点击跳转