【Linux】基础IO——系统文件IO

我之前是讲过c语言的文件操作的，但是说实话我压根就不知道它在干什么，后面c语言/c++,数据结构的学习过程中也没用过文件操作，今天我们就来会会这个文件操作

1.回顾c语言文件接口

1.1.fopen

r ：只读模式打开，文件流指针指向文件的起始位置
r+：可读可写方式打开，文件流指针指向文件的起始位置
w：只写模式打开，被打开文件若存在，则截断文件（清空文件内容），若不存在，创建该文件
w+：可读可写模式打开，，被打开文件若存在，则截断文件（清空文件内容），若不存在，创建该文件
a：追加写。若文件存在，文件流指针指向文件的末尾进行写。若不存在，创建文件
a+：可以读也可以追加写。文件存在，读的位置被初始化到文件头，追加写的时候依旧是在文件末尾追加，文件不存在，创建该文件

我们来实验一下

1.1.1.r选项

#include <stdio.h>
int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt", "r");if (fp == NULL){perror("fopen");return 1;}char buffer[64];for (int i = 0; i < 5; i++){fgets(buffer, sizeof(buffer), fp);//读取printf("%s", buffer);}fclose(fp);return 0;
}

我们发现只是单纯的读取而已

1.1.2.w选项

#include <stdio.h>
int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt", "w");if (fp == NULL){perror("fopen");return 1;}int count = 5;while (count){fputs("hello world\n", fp);//向文件中写入count--;}fclose(fp);return 0;
}

运行后，当前路径下会生成log.txt文件，并会写入内容。

当我们以“w”的方式打开文件代表写入，此时他会清空文件，再帮我们写入。

1.1.3.其他

当我们把选项换成“a”，这就代表append追加，这就不会清空文件。

再命令行中的“>”符号，这叫做输出重定向。

可以看到之前的内容就没有了，变成了重定向的内容，他也是类似于“w”的方式。

再来看一下“r”选项打开文件，可以读取文件中的数据到缓冲区中，并输出到屏幕上。

int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt", "r");if (fp == NULL){perror("fopen");return 1;}// 文件操作char line[64];// 缓冲区// fgets是C语言的接口，按行读取，自动在字符结尾添加\0while (fgets(line, sizeof(line), fp) != NULL){fprintf(stdout, "%s", line);}fclose(fp);return 0;
}

加入命令行参数后就变成了类似cat命令的操作，也可以给简易的shell添加上这个功能。

int main(int argc, char* argv[])
{if (argc != 2){printf("请输入两个参数：程序+文件名\n");exit(1);}FILE* fp = fopen(argv[1], "r");if (fp == NULL){perror("fopen");return 1;}// 文件操作char line[64];// 缓冲区// fgets是C语言的接口，按行读取，自动在字符结尾添加\0while (fgets(line, sizeof(line), fp) != NULL){fprintf(stdout, "%s", line);}fclose(fp);return 0;
}

2.默认打开的三个流(stdin,stdout,stderr)

Linux下一切皆文件，显示器和键盘也可以看作文件。

我们能看到显示器上的数据，是因为我们向显示器写入了数据，电脑能获取我们键盘上的字符，是电脑从“键盘文件” 读取了数据。

为什么我们向“显示器文件”写入数据以及从“键盘文件”读取数据前，不需要进行打开“显示器文件”和“键盘文件”的相应操作？

需要注意的是，打开文件一定是进程运行的时候打开的，而任何进程在运行的时候都会默认打开三个输入输出流，即标准输入流、标准输出流以及标准错误流，对应到C语言当中就是stdin、stdout以及stderr。
其中，标准输入流对应的设备就是键盘，标准输出流和标准错误流对应的设备都是显示器。

查看man手册我们就可以发现，stdin、stdout以及stderr这三个家伙实际上都是FILE*类型的。

stdin默认为键盘，stdout和stderr默认为显示器，这些都是硬件，但在Linux下，一切皆文件，所以这三个的类型都是FILE*，这是个指针，FILE其实是C标准库提供的结构体

当我们的程序被运行起来时，操作系统就会默认使用C语言的相关接口将这三个输入输出流打开。

注意：不止是C语言当中有标准输入流、标准输出流和标准错误流，C++当中也有对应的cin、cout和cerr，其他所有语言当中都有类似的概念。实际上这种特性并不是某种语言所特有的，而是由操作系统所支持的。

3.系统文件IO

通过之前的学习，这些文件操作最终都是访问硬件(显示器、键盘、磁盘)。众所周知，OS是硬件的管理者。所有语言上对“文件”的操作，都必须贯穿操作系统。然而OS不相信任何人，访问操作系统，就必须要通过系统接口！！

open/fclose，fread/fwrite，fputs/fgets，fgets/fputs 等库函数一定需要使用OS提供的系统调用接口，接下来我们就来学习文件的系统调用接口，才能做到万变不离其宗！！

我们在Linux平台下运行C代码时，C库函数就是对Linux系统调用接口进行的封装，在Windows平台下运行C代码时，C库函数就是对Windows系统调用接口进行的封装，这样做使得语言有了跨平台性，也方便进行二次开发。

3.1.open

3.1.1.参数pathname

open的第一个参数：pathname

open的第一个参数表示打开或者创建目标文件。

在这里要注意的是：

1.如果以路径的形式给出那么当需要创建文件的时候，会在你提供的这个路径下创建。
2.如果只给了文件名，那么会在当前路径下创建（当前路径上面以及提过注意他的含义）。

3.1.2.参数flags

open的第二个参数：flags

open的第二个参数表示文件打开的方式。常用选项有如下几种：

O_RDONLY：只读打开
O_WRONLY：只写打开
O_RDWR：读，写打开

上面三个常量，必须指定一个且只能指定一个

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
O_APPEND：追加写
O_TRUNC：清空文件

我们在打开文件时可以使用多个选项中间以|隔开。

举个例子：我们想要以只写的方式打开一个文件如果文件不存在就创建O_WRONLY|O_CREAT。

那flags到底是个什么呢？

        其实它就是一个整数，一个整数有32个比特位，将每一个比特位做为某一个选项，在对应的函数内看那一位是否为1，来判断我们是否传入了这个选项.那么也就意味着O_WRONLY对应的是32个比特位中只有一位是1的整数，到底是不是这样的了？

        下面我们使用vim打开/usr/include/asm-generic/fcntl.h这个目录下的文件看一看：

我们发现这些宏定义选项的共同点就是，它们的二进制序列当中有且只有一个比特位是1 (O_RDONLY）选项的二进制序列为全0，表示O_RDONLY选项为默认选项)。

        而在open函数中使用特定的数字进行判断然后只写具体的功能。

那第二个参数flags(int)是怎么实现模式的叠加的？为什么要把模式|在一起呢？

这是一种用户层给内核传递标志位的常用做法。
int有32个比特位，不重复的一个bit，就可以表示不同状态，就可以传递多个标志位且位运算效率较高。

这些O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR都是只有一个比特位是1的宏，并且相互不重复，这样|在一起，就能传递多个标志位

下面用一段代码演示一下。
// 用int中不同的bit位就可以标识一种值
#define ONE 0x1   // 0000 0001
#define TWO 0x2   // 0000 0010
#define THREE 0x4 // 0000 0100void Print(int flags)
{if (flags & ONE)printf("one\n");if (flags & TWO)printf("two\n");if (flags & THREE)printf("three\n");
}int main()
{Print(ONE | TWO); // 0001 | 0010 -> 0011printf("--------------\n");Print(ONE | TWO | THREE); // 0001 | 0010 | 0100 -> 0111return 0;
}
相信看到这里，你也就明白了为什么模式可以通过|来叠加的？

当然，你也就明白了为什么下面只能三选一

3.1.3.参数mode

（注意当不创建文件时，第三个参数可以不用填）

open的第三个参数：第三个参数为设置创建文件的权限。

在linux中文件是有权限的，当以只写方式打开文件，文件如果不存在需要创建但是创建时我们需要设置文件的权限。

3.1.4.返回值

open的返回值是指我们打开文件的这个文件描述符，打开失败返回-1。

下面我们通过一段代码进行演示：
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{umask(0);int fd1 = open("log1.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);int fd2 = open("log2.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);int fd3 = open("log3.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);int fd4 = open("log4.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);int fd5 = open("log5.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);printf("fd1:%d\n", fd1);printf("fd2:%d\n", fd2);printf("fd3:%d\n", fd3);printf("fd4:%d\n", fd4);printf("fd5:%d\n", fd5);return 0;
}
        我们可以发现，文件的文件描述符是从3后面递增的。

        实际上这里所谓的文件描述符本质上是一个指针数组的下标，指针数组当中的每一个指针都指向一个被打开文件的文件信息，通过对应文件的文件描述符就可以找到对应的文件信息。

        当使用open函数打开文件成功时数组当中的指针个数增加，然后将该指针在数组当中的下标进行返回，而当文件打开失败时直接返回-1，因此，成功打开多个文件时所获得的文件描述符就是连续且递增的。

        而Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别就是标准输入0、标准输出1、标准错误2，这就是为什么成功打开文件时所得到的文件描述符是从3开始进程分配的。

3.1.5.使用示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("log.txt", O_WRONLY);//以只读方式打开文件if (fd < 0){perror("open");exit(1);}// 打开成功printf("fd: %d\n", fd); return 0;
}

我们发现，没有log.txt的情况下，只读模式情况下打印了这个

我们换换只写模式

还是不会自己创建啊，看来这个写和c语言的w模式还是有点区别的

我们往上看第二个参数，发现创建文件还是要加上一个选项的

我们修改一下代码

通过这次实验，完美发现c语言的那些r，w等模式不就是open的这些模式的混合版本嘛！！

事实上确实是这样，不只是c语言，包括c++，python等都是如此

这次是创建成功了，但是它的权限好奇怪啊

我们不要忘了open它有第三个参数mode，这就是创建文件的访问权限，想要给他的权限设置为0666，就要把它传入，当然也要注意umask，系统的默认umask是0002，所以还要在一开始设置当前进程的umask，如何设置也可以用接口。

这个权限非常完美了吧！！！

3.2.close

使用close函数时传入需要关闭文件的文件描述符即可，若关闭文件成功则返回0，若关闭文件失败则返回-1。

3.3.write

系统接口中使用write函数向文件写入信息，write函数的函数原型如下：

write函数，将buf位置开始向后count字节的数据写入文件描述符为fd的文件当中。

写入成功返回写入数据的字节个数，失败返回-1.

我们来使用一下

又一次写入时，我们发现：

O_TRUNC: 打开文件的时候直接清空文件

O_TRUNC:
如果文件已经存在并且是一个常规文件，并且开放模式允许写入(即是0_RDNRor O_MwRONLY)，那么它将被截断为长度为0(也就是清空文件)

这样就可以变成C语言中fopen的w选项。

这样a选项也就好说了，选项变成O_APPEND就行了。

O_APPEND: 追加文件

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

注意注意：写入文件的过程中，不需要写入\0！

因为\0是C语言层面上规定字符串的结束标志，而写入文件关心的是字符串的内容，文件和语言不要搞混了

3.4.read

第一个参数是文件对应的文件描述符
第二个参数是读取的内容放到这里
第三个参数读取几个字节，返回值为实际读取的字节数读取失败返回-1.

读文件的前提：文件已经存在，不涉及创建及权限的问题，那么用两个参数的open打开文件即可

未完待续……