Linux——IO

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💬<4>前言：是不是只有C/C++有文件操作呢？python，java，php，go ..... 他们都是有文件操作？他们的文件操作一样吗？他们都有文件操作，且根据语言的语法不同，文件操作也是不同的。有没有一种同意的视角，看待所有语言的文件操作呢？

目录

一.回顾C文件IO相关操作

1.C语言文件写入

2.C语言文件读取

 3.输出信息到显示器有哪些方法

二.系统文件IO

1.open

 2.write

3.close

 4.read

三.对比C库与系统调用

四.如何管理文件

1.操作系统如何管理文件 

2.进程如何管理文件 ——文件描述符

3.文件描述符的分配规则

 三.重定向

1.重定向原理

2.dup2 系统调用

 四.理解FILE

一.回顾C文件IO相关操作

1.C语言文件写入

测试代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{FILE *fp = fopen("myfile", "w");if (!fp){printf("fopen error!\n");}const char *msg = "hello Linux!\n";const char *msg2 = "hello C++!\n";int count = 5;while (count--){// 向文件中写入，// 参数1：写入的数据C++// 参数2：写入的字符个数// 参数3：写入的数据元素的个数// 参数4：写入的文件结构体指针fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp);}int n = 5;while (n--){// 向文件中写入，// 参数1：写入的文件结构体指针// 参数2：格式化写入fprintf(fp, "[%d]:%s", n, msg2);}fclose(fp);return 0;
}

测试结果：

2.C语言文件读取

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{FILE *fp = fopen("myfile", "r");if (!fp){printf("fopen error!\n");}char buf[1024];const char *msg = "hello bit!\n";while (1){// 注意返回值和参数，此处有坑，仔细查看man手册关于该函数的说明size_t s = fread(buf, 1, strlen(msg), fp);if (s > 0){buf[s] = 0;printf("%s", buf);}if (feof(fp)){break;}}fclose(fp);return 0;
}

 3.输出信息到显示器有哪些方法

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{const char *msg = "hello fwrite\n";// 1.fwritefwrite(msg, strlen(msg), 1, stdout);// 2.printfprintf("hello printf\n");// 3.fprintffprintf(stdout, "hello fprintf\n");return 0;
}

C库常见IO接口：

    // 1.默认向显示器格式化打印int printf(const char *format, ...);// 2.向指定的文件中格式化输入int fprintf(FILE * stream, const char *format, ...);// 3.向指定的空间中格式化输入int sprintf(char *str, const char *format, ...);// 4.向指定的空间中格式化输入指定个数字符int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);

 总结：

  1. C默认会打开三个输入输出流，分别是stdin, stdout, stderr
  2. 仔细观察发现，这三个流的类型都是FILE*, fopen返回值类型，文件指针

二.系统文件IO

操作文件，除了上述C接口（当然，C++也有接口，其他语言也有），我们还可以采用系统接口来进行文件访问，先来直接以代码的形式，实现和上面一模一样的代码：

1.open

隆重介绍一个系统调用：

#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);

pathname: 要打开或创建的目标文件
flags: 打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行“或”运算，，就是一种位图结构，flags参数:

  1. O_RDONLY: 只读打开
  2. O_WRONLY: 只写打开
  3. O_RDWR : 读，写打开
  4. 这三个常量，必须指定一个且只能指定一个
  5. O_CREAT : 若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明新文件的访问权限
  6. O_APPEND: 追加写

 返回值：

  • 成功：新打开的文件描述符
  • 失败：-1

 2.write

       #include <unistd.h>ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数介绍：

  1. fd:要写入的文件描述符。
  2. buf：要写入的字符串。
  3. count：写入的个数。

3.close

       #include <unistd.h>int close(int fd);

 关闭指定的文件描述符的文件。

测试代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{// fd：文件描述符// mufile：打开的文件名// O_WRONLY ：写方式 | O_CREAT：没有该文件就创建 | O_APPEND : 追加写入int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);if (fd == -1){perror("open");}int count = 5;char *msge = "hello C++ and Linux\n";while (count--){ssize_t n = write(fd, msge, strlen(msge));if (n == -1){perror("write:");}}close(fd);return 0;
}

测试结果：

 4.read

       #include <unistd.h>ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数：

  1. fd：读取文件的文件描述符
  2. buf:存储读取出的数据的缓冲区
  3. count：最大读取个数

返回值：

  • 读取成功：返回读取的字节数。
  • 读取失败：返回-1.

 测试代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{// fd：文件描述符// mufile：打开的文件名// ORDONLY:独方式打开int fd = open("myfile", O_RDONLY);if (fd == -1){perror("open");}char buff[1024];// fd:读取文件的文件描述符// buff:存储读取数据的缓冲区// 1024:最大读取字节数ssize_t n = read(fd, buff, 1024);if (n == -1){perror("write:");}printf(buff);close(fd);return 0;
}

 测试结果：

三.对比C库与系统调用

我们真正理解语言层面的文件操作吗？其实我们并不理解，因为这不是语言问题，这是系统问题。

是不是只有C/C++有文件操作呢？python，java，php，go ..... 他们都是有文件操作？他们的文件操作一样吗？他们都有文件操作，且根据语言的语法不同，文件操作也是不同的。有没有一种同意的视角，看待所有语言的文件操作呢？

在认识返回值之前，先来认识一下两个概念: 系统调用 和 库函数：

 上面的 fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数（libc）。
而， open close read write 都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口回忆一下我们讲操作系统概念时，画的一张图：

系统调用接口和库函数的关系，一目了然。
所以，可以认为，f#系列的函数，都是对系统调用的封装，方便二次开发。

只要语言层支持了文件操作，那么语言层对下必然封装了系统调用。

四.如何管理文件

1.操作系统如何管理文件 

文件=内容+属性。

当一个文件没有被操作时，文件一般会被放在磁盘上。

当我们对一个文件进程操作的时候，文件需要被放进内存，因为冯诺依曼体系的限定！

当我们对文件进程操作的时候，文件需要被load到内存，load的是属性还是内容？至少要有属性被load。

当我们对文件进程操作的时候，文件需要被提前放进内存，操作文件的又不是我们一个，所以OS内部移动同时存在大量被打开的文件。那么操作系统如何管理这些被打开的文件呢？创建对应的结构体进行抽象，和数据机构进行组织。

每一个被打开的文件，都要在OS内部对应文件对象的struct结构体，可以将所有的struct_file结构体用某种数据结构连接起来，在OS内部，对被打开的文件进行管理，就转换成对链表的增删查改。

2.进程如何管理文件 ——文件描述符

 文件可以分为两大类，磁盘文件（没有被打开），内存文件（被打开）。

文件被打开，是指文件被以进程为代表的用户让操作系统打开的。

所以之前的文件操作，都是进程与被打开文件之间的关系。在OS的角度，就是PCB与struct_file的关系。

那么进程是如何管理自己打开的文件的呢？

open返回值：

#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{// 打开一个文件int fd = open("testfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);// 打印文件描述符printf("%d\n", fd);return 0;
}

通过对open函数的学习，我们知道了文件描述符就是一个小整数。

 这里为什么是3？我们多打开几个文件看看：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{// 打开一个文件int fd = open("testfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd1 = open("testfile1", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd2 = open("testfile2", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd3 = open("testfile3", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);// 打印文件描述符printf("%d\n", fd);printf("%d\n", fd1);printf("%d\n", fd2);printf("%d\n", fd3);return 0;
}

我们发现打印出的是连续的整数。但是没有还是从3开始的，那么会不会有0，1，2呢？

0 & 1 & 2 ：

  1. Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0， 标准输出1， 标准错误2.
  2. 0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器

 所以输入输出还可以采用如下方式：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{char buf[1024];// 0:标准输入的文件描述符——键盘文件ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));if (s > 0){buf[s] = 0;// 写入1号文件描述符的文件中——显示器文件// 写入2号文件描述符的文件中——显示器文件write(1, buf, strlen(buf));write(2, buf, strlen(buf));}return 0;
}

而现在知道，文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件，于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files, 指向一张表files_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要在进程PCB中拿着文件描述符，就可以找到对应的文件。

3.文件描述符的分配规则

 测试代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{close(0);int fd = open("testfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);close(2);int fd1 = open("testfile1", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd2 = open("testfile2", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);// 打印文件描述符printf("%d\n", fd);printf("%d\n", fd1);printf("%d\n", fd2);return 0;
}

测试结果：

 说明：

  1. 当我们关闭0，2号文件描述符，0，2文件描述符空着，新打开的文件描述符不再从3开始。
  2. fd: 0 或者 fd 2 可见，文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，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。

 三.重定向

1.重定向原理

 上述代码如果我们关闭的是1号文件描述符：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{close(0);int fd = open("testfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);// 如果关闭1号文件描述符close(1);int fd1 = open("testfile1", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);int fd2 = open("testfile2", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);// 打印文件描述符printf("%d\n", fd);printf("%d\n", fd1);printf("%d\n", fd2);return 0;
}

测试结果：

说明：

  1. 本应该输出到显示器的内容，却输出到了文件中。这种现象就叫做重定向。
  2. 常见的重定向有:>, >>, <，输出重定向，追加重定向，输入重定向。

重定向的本质：

说明：

原本输入到显示器的数据输入到了其他文件，仅仅通过更改struct file*fdarray[ ]对应下标的存储的指针。

2.dup2 系统调用

#include <unistd.h>int dup2(int oldfd, int newfd)

说明：

  • oldfd：需要重定向的文件描述符。
  • newfd：被重定向的文件描述符。

 测试代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}close(1);// 将fd对应的文件，重定向到1号文件描述符dup2(fd, 1);for (;;){char buf[1024] = {0};ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);if (read_size < 0){perror("read");break;}printf("%s", buf);fflush(stdout);}return 0;
}

测试结果：

printf是C库当中的IO函数，一般往 stdout 中输出，但是stdout底层访问文件的时候，找的还是fd:1, 但此时，fd:1下标所表示内容，已经变成了./log的地址，不再是显示器文件的地址，所以，输出的任何消息都会往文件中写入，进而完成输出重定向。

 四.理解FILE

因为IO相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过fd访问的。所以C库当中的FILE结构体内部，必定封装了fd。

测试代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{int fd = open("testfile", O_CREAT | O_WRONLY, 0666);int fd1 = open("testfile1", O_CREAT | O_WRONLY, 0666);printf("%d\n", stdin->_fileno);printf("%d\n", stdout->_fileno);printf("%d\n", stderr->_fileno);printf("%d\n", fd);printf("%d\n", fd1);return 0;
}

测试结果：

看一段代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{const char *msg0 = "hello printf\n";const char *msg2 = "hello write\n";printf("%s", msg0);write(1, msg2, strlen(msg2));fork();return 0;
}

运行结果：

看到这里一切正常，如果我们将输出到显示器的数据，重定向到其他文件中：

 我们发现 printf 输出了2次，而 write 只输出了一次（系统调用）。为什么呢？肯定和fork有关！

  •  一般C库函数写入文件时是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲。
  • printf fwrite 库函数会自带缓冲区（进度条例子就可以说明），当发生重定向到普通文件时，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。
  • 而我们放在缓冲区中的数据，就不会被立即刷新，fork之后。
  • 但是进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中。
  • 但是fork的时候，父子数据会发生写时拷贝，所以当你父进程准备刷新的时候，子进程也就有了同样的一份数据，随即产生两份数据。
  • write 没有变化，说明没有所谓的缓冲，而是直接写入文件。

 综上：

  1. printf fwrite 等库函数会自带缓冲区，而 write 系统调用没有带缓冲区。
  2. 另外，我们这里所说的缓冲区，都是用户级缓冲区。其实为了提升整机性能，OS也会提供相关内核级缓冲区，不过不再我们讨论范围之内。
  3. 那这个缓冲区谁提供呢？ printf fwrite 是库函数， write 是系统调用，库函数在系统调用的“上层”， 是对系统调用的“封装”，但是 write 没有缓冲区，而 printf fwrite 有，足以说明，该缓冲区是二次加上的，又因为是C，所以由C标准库提供。

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