Linux——系统文件I/O

系统文件I/O

注:学习本次内容之前,最好先对C语言文件操作有所了解

本章思维导图:
在这里插入图片描述注:思维导图对应的.xmind文件和.png文件都已同步导入至资源,可供免费查阅


在以前学习的C语言中,我们可以通过fwritefread等各种库函数对系统文件进行读写操作。同时也应该注意到,C语言作为一种用户级语言,其可以利用库函数对系统的底层数据进行各种操作,这个过程中一定会经过操作系统的处理,因此我们可以确定C语言有关文件操作的库函数一定封装了系统调用

今天我们就要来学习有关文件操作的系统调用及其背后的细节

文章目录

  • 系统文件I/O
  • 1. 文件操作
    • 1.1 打开文件
    • 1.2 关闭文件
    • 1.3 读写文件
      • 1.3.1 向文件写入
      • 1.3.2 读取文件
  • 2. 文件描述符fd
    • 2.1 文件描述符fd的本质
    • 2.2 fd的分配规则
    • 2.3 重定向系统调用
  • 3. 重新理解一切皆文件
  • 4. 缓冲区
    • 4.1 缓冲区的刷新策略
    • 4.2 缓冲区的意义

1. 文件操作

1.1 打开文件

在这里插入图片描述

打开文件的系统调用为:

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

需要包含头文件:

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

接下来我们来分析这个函数:

参数pathname

这个参数和C语言fopen的第一个参数类似。即为被打开文件的路径,可以使用绝对路径表示,也可以用相对路径表示

返回值

  • 打开成功,返回被打开文件的文件描述符fd
  • 打开失败,返回-1

由于C语言的库函数fopen一定封装了系统调用open,而C语言fopen的返回值为结构体FILE,而open的返回值为整形fd,因此我们可以确定,C语言的文件结构体FILE一定封装了文件描述符fd

参数flags

和C语言的fopen不同,这里传入的是一个整形参数,实际上,这里是以位图的方式进行传参

何为位图?

  • 例如对于一个32位的int类型数据,我们并不会将它的32个bit位看成一个整体,而是将每一位(或者某几位)bit位都赋予其意义
  • 这样,一个32位的int类型的数据就可以用不同的bit位来表示不同的含义,从而实现不同的功能。这在进程控制中讲进程等待的参数status中有所提及

例如:

/*
用位图的方式实现用一个int型变量来控制打印不同的结果
*/#include <stdio.h>#define ONE 1
#define TWO (1 << 1)
#define THREE (1 << 2)
#define FOUR (1 << 3)void Print(int flags)
{if (flags & ONE)printf("1 ");if (flags & TWO)printf("2 ");if (flags & THREE)printf("3 ");if (flags & FOUR)printf("4 ");
}int main()
{int flag1 = ONE | TWO | THREE | FOUR;int flag2 = ONE | FOUR;Print(flag1);printf("\n");Print(flag2);printf("\n");return 0;
}

output:

1 2 3 4
1 4

在Linux中,也有类似上面ONE TWO的宏常量:

  • O_RDONLY:以只读的方式打开文件
  • O_WRONLY:以只写的方式打开文件
  • O_APPEND:文件以追加的方式打开
  • O_CREAT:如果文件不存在,将会在当前路径创建一个同名文件
  • O_TRUNC:如果文件存在并以写的方式打开,那会先清空文件再进行写入

我们来举几个例子:

int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);	//只写方式打开文件,先清空再写入,如果没有该文件就创建int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND); //追加方式打开文件,如果没有该文件就创建int fd = open("log.txt", O_RDONLY);		//以只读的方式打开

参数mode

如果我们的参数flags带有O_CREAT选项,那么当被打开的文件不存在时,就会创建一个同名文件

但是,当我们用命令ll查看文件时,却是这样的:

在这里插入图片描述

可以发现,新创建文件的权限是一个随机值,因此就需要参数mode进行确定

需要注意,参数mode是被创建文件的初始权限,而文件的权限为:权限 = 初始权限 & ~umask。例如:

int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);

在这里插入图片描述

此外,我们也可以利用系统调用umask来修改创建文件时的umask

mode_t umask(mode_t mask);

需要注意,这个系统调用并不会实际修改系统的umask,只是会临时改变创建文件时的umask

1.2 关闭文件

需要包含头文件:<unistd.h>

系统调用为:

int close(int fd);
  • fd即为被关闭文件的文件描述符
  • 成功关闭,返回0;关闭失败,返回-1

1.3 读写文件

需要包含头文件<unistd.h>

1.3.1 向文件写入

在这里插入图片描述

系统调用为:

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • fd即为被写入文件的文件描述符

  • buf即为准备被写入的内容

  • count即为写入的字节数

  • 如果写入成功,则返回写入的字节数

  • 如果写入失败,则返回-1

例如:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define SIZE 1024int main()
{//以只写的方式打开文件,如果文件不存在就创建,先清空文件再写入//被创建文件的权限为0666umask(0000);int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (fd == -1){perror("open");return 1;}//向文件写入char buf[SIZE] = "hello world\n";write(fd, buf, strlen(buf));close(fd);return 0;
}

cat log.txt

hello world

1.3.2 读取文件

在这里插入图片描述

系统调用为:

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • fd即为被读取文件的文件描述符
  • buf指向的空间将存放被读取的数据
  • count即为读取的字节数
  • 读取成功,返回读取的字节数;读取失败,返回-1

例如:

cat log.txt

hello world
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define SIZE 1024int main()
{umask(0000);int fd = open("log.txt", O_RDONLY);if (fd == -1){perror("open");return 1;}char buf[SIZE] = {0};read(fd, buf, SIZE);printf("%s", buf);close(fd);return 0;
}

output:

hello world

2. 文件描述符fd

肯定有小伙伴会好奇,文件描述符fd究竟是什么,有什么作用?现在就让我们来一探究竟

2.1 文件描述符fd的本质

在这里插入图片描述

我们不妨先多打开几个文件来看看他们的文件描述符都是什么:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd1 = open("log1.txt", O_CREAT);int fd2 = open("log2.txt", O_CREAT);int fd3 = open("log3.txt", O_CREAT);int fd4 = open("log4.txt", O_CREAT);int fd5 = open("log5.txt", O_CREAT);printf("%d %d %d %d %d\n", fd1, fd2, fd3, fd4, fd5);return 0;
}

output:

3 4 5 6 7

同时,我们应该也清楚,C语言会默认打开三个标准文件流,分别是:

  • stdin:标准输入流
  • stdout:标准输出流
  • stderr:标准错误流

它们同时也是三个文件,即FILE类型, 我们前面说过FILE结构体会封装文件描述符fd,因此我们可以进行查看:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd1 = open("log1.txt", O_CREAT);int fd2 = open("log2.txt", O_CREAT);int fd3 = open("log3.txt", O_CREAT);int fd4 = open("log4.txt", O_CREAT);int fd5 = open("log5.txt", O_CREAT);//FILE结构体的整形_fileno就是其文件描述符fdprintf("%d %d %d\n", stdin->_fileno, stdout->_fileno, stderr->_fileno);printf("%d %d %d %d %d\n", fd1, fd2, fd3, fd4, fd5);return 0;
}

output:

0 1 2 
3 4 5 6 7

可以看出,如果我们连续打开多个文件,那么这些文件的文件描述符就是连续的数字,那么文件描述符fd的本质是什么呢?

这里先给出结论:文件描述符的本质实际就是数组的下标

首先,CPU只会和内存中的数据进行交互,因此每一个被打开的文件都会先加载到内存中。操作系统也需要对这些文件进行管理,即“先描述,再组织”,每一个被打开文件的属性都会存入file结构体,这些file结构体会共同组成一个打开文件列表

在这里插入图片描述

文件是被其所属的进程打开,一个进程可以打开多个文件,但打开文件列表的文件并不一定是同一个进程打开,因此每个进程就需要知道它打开的是哪几个文件

在这里插入图片描述

为了达到程序低耦合高内聚的要求,进程的task_struct结构体中会封装一个结构体指针struct files_struct* files,这个指针指向的结构体中有一个数组struct file* fd_array[],其存储的就是这个进程打开文件的结构体file的地址

在这里插入图片描述

fd所代表的就是每个文件对应的结构体file指针在数组fd_array所对应的下标

知道了上述的关系后,我们就清楚:一个进程要对其文件进行读写操作,只需要知道这个文件的文件描述符fd就可以了。因为我们可以通过这样的关系找到该文件的内容属性:task_struct -> files_struct -> fd_array -> fd -> file

2.2 fd的分配规则

在这里插入图片描述

文件描述符fd的分配规则为:

最小的没有被使用的数组下标,会分配给最新打开的文件

我们来举例说明:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{printf("stdin->_fileno = %d\n", stdin->_fileno);close(stdin->_fileno);int fd = open("log.txt", O_RDONLY);printf("log.txt->fd = %d\n", fd);return 0;
}

output:

stdin->_fileno = 0
log.txt->fd = 0

可以发现,我们将标准输入关闭之后,在打开一个文件log.txt标准输入对应的文件描述符fd(0)就成了文件log.txt的文件描述符

再结合我们上面所提及的:进程对文件的操作只认文件的文件描述符fd,因此我们可以认为,上面的操作中,log.txt成为了新的标准输入,从而做到了常说的“输入重定向

可以进行演示:

cat log.txt

123456
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{//关闭标准输入printf("stdin->_fileno = %d\n", stdin->_fileno);close(stdin->_fileno);//打开文件log.txt,log.txt成了新的标准输入int fd = open("log.txt", O_RDONLY);printf("log.txt->fd = %d\n", fd);//a读取的就是log.txt文件的内容int a = 0;scanf("%d", &a);printf("a = %d\n", a);return 0;
}

output:

stdin->_fileno = 0
log.txt->fd = 0
a = 123456

标准输出也是同理,我们可以用类似的方式来实现输出重定向或追加重定向

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{//关闭标准输出printf("stdout->_fileno = %d\n", stdout->_fileno);close(stdout->_fileno);//新打开的文件log.txt成了标准输出int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);printf("log.txt->fd = %d\n", fd);		//输出到标准输出,即文件log.txt中printf("hello world\n");	//输出到标准输出,即文件log.txt中return 0;
}

output:

stdout->_fileno = 1

cat log.txt

log.txt->fd = 1
hello world

2.3 重定向系统调用

用上面这种“先关闭标准流再打开新的文件”这种方式来实现重定向着实有些繁琐,因此系统提供给了我们一个接口:

int dup2(int oldfd, int newfd);

需要包含头文件:<unistd.h>

该函数的功能为:将下标oldfd处的file指针拷贝给newfd处的指针,即newfd重定向到oldfd指向的文件。如图:

在这里插入图片描述

例如,实现输出重定向

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);dup2(fd, 1);	//stdout对应的fd为1,实现输出重定向printf("hello world\n");return 0;
}

cat log.txt

hello world

3. 重新理解一切皆文件

以前我们说在Linux中一切皆文件,刚开始接触这句话时我们肯定觉得难以理解,为什么显示器、键盘、网卡等这种硬件设备也可以称作是文件呢?今天就让我们一起来理解为何“一切皆文件”

首先,很容易理解,对于不同的硬件设备,其所对应的读写方式肯定是不同的

在这里插入图片描述

描述文件的结构体file中,有一个函数指针read,用于指向具体设备的读方法,一个函数指针write,用于指向具体设备的写方法(实际上还有更多的函数指针来管理更多文件操作的方法):

在这里插入图片描述

这样,我们就用相同的结构体file管理好了不同的硬件设备,换句话说,结构体file屏蔽了不同硬件设备之间的差距

所以,我们在上层使用时,由于结构体file屏蔽了差异,我们就可以以一种统一的读写方式来管理所有设备,即一切皆文件

4. 缓冲区

在这里插入图片描述

首先需要注意,我们这里讲的缓冲区是C语言层面的缓冲区而不是系统内核的缓冲区

C语言的缓冲区是被文件结构体FILE维护的,因此每个文件都对应一个缓冲区

由于缓冲区的存在,如果要向文件中写入数据,并不会执行一次write指令,内容就会马上写入文件,而是先会将数据存入缓冲区,当满足缓冲区的刷新条件时才会将缓冲区的数据写入文件

例如:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{printf("hello world");sleep(3);printf("\n");return 0;
}

在这里插入图片描述

可以看到,“hello world”并没有立刻输出到屏幕,而是休眠了3秒后进程退出才将所有内容输出到屏幕

4.1 缓冲区的刷新策略

缓冲区有三种常见的刷新策略:

  • 无缓冲(Unbuffered):该模式下每次写操作会直接向文件写入;每次读操作会直接从文件读取数据。通常用于需要实时交互或者需要最小延迟的应用程序中。
  • 行缓冲(Line Buffering):该模式下,当遇到换行符’\n’时,缓冲区的内容会直接写入文件(显示器)。对于**终端设备(如控制台)**通常会使用行缓冲
  • 全缓冲(Fully Buffered):该模式下,当缓冲区满时,缓冲区的数据才会写入文件(文件)。对于磁盘文件,通常会使用全缓冲

还有几种特殊情况:

  • 当进程退出时,缓冲区的内容会直接写入文件

  • 显式调用库函数fflush(),缓冲区的内容会写入文件

我们通过一个例子来细细体会一下C语言的缓冲区:

代码一:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{write(stdout->_fileno, "hello_write ", strlen("hello_write "));fwrite("hello_fwrite ", 1, strlen("hello_fwrite "), stdout);printf("hello_printf ");return 0;
}

output:

hello_write hello_fwrite hello_printf

代码二:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{write(stdout->_fileno, "hello_write ", strlen("hello_write "));fwrite("hello_fwrite ", 1, strlen("hello_fwrite "), stdout);printf("hello_printf ");fork();return 0;
}

ouput:

hello_write hello_fwrite hello_printf hello_fwrite hello_printf 

有细心的小伙伴发现了奇怪的现象:

代码二只比代码一多了一句fork(),为什么会多打印一次hello_fwrite hello_printf

原因其实很简单:

  • fork()创建了子进程后,子进程和父进程共享代码和数据,也就共享了标准输出的缓冲区
  • 向标准输出写入默认的是行刷新,因此**fwriteprintf的内容并不会直接输出到标准输出,而是会先存入缓冲区**
  • 当进程结束,对缓冲区进行刷新时,由于刷新的本质是改变缓冲区的数据,又因为子进程和父进程共享代码和数据,因此会发生写时拷贝,即子进程会将缓冲区的内容复制一份,因此最终会输出两次fwriteprintf的内容
  • 操作write是系统调用,不会经过C语言的缓冲区,因此会直接写入标准输出,也就不存在写时拷贝的问题

所以,如果我们将上面的fwriteprintf的内容结尾加上换行符,就不会出现上面的情况了:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{write(stdout->_fileno, "hello_write\n", strlen("hello_write\n"));fwrite("hello_fwrite\n", 1, strlen("hello_fwrite\n"), stdout);printf("hello_printf\n");fork();return 0;
}

output:

hello_write
hello_fwrite
hello_printf

4.2 缓冲区的意义

我们知道,对CPU来说,与显示器这种硬件设备的交互是非常浪费时间的

如果我们每向显示器输出一段数据,系统都要调用一次系统调用write那就会大大降低计算机的运行效率

而由于C语言关于文件操作的库函数一定封装了系统调用,因此向文件写入的库函数也就封装了write

由于缓冲区的存在,系统并不会频繁的调用系统调用,而是会等满足缓冲区的刷新条件后再一次调用,一次写入

从而大大提高了文件读写的效率


本篇完
如有错误,欢迎斧正

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