【Linux】基础IO，看这一篇就够了！

Linux基础IO，看这一篇就够了！

• C语言操作文件接口
• 系统调用函数的操作文件接口
• 文件描述符
• 文件描述符和文件流指针的区别
• 重定向接口
• 文件系统

1）C语言操作文件接口

C库封装的几个常用文件操作接口：fopen、fwrite、fread、fseek、fclose。
下面用代码实现这几个：

#include
#include
int main()
{
    FILE* fp=fopen("./Demo","a+");	//打开当前目录下名为Demo的文件
    if(!fp)
    {
        perror("fopen");
        return -1;
    }

    char buf[1024]={0};
    strcpy(buf,"Linux");	
    int w_ret=fwrite(buf,1,5,fp);	//把buf的内容写入文件
    printf("w_ret:%d\n",w_ret);
    fseek(fp,0,SEEK_SET);			//使文件流指针偏移到头
    memset(buf,0,sizeof(buf));		//清空buf
    int r_ret=fread(buf,1,sizeof(buf)-1,fp);	//读出来
    printf("r_ret:%d\n",r_ret);
    printf("buf:%s\n",buf);
    fclose(fp);
    return 0;
}

运行结果：
w_ret:5
r_ret:5
buf:Linux

C语言知识在这就不做过多的解释了，下面主要介绍操作系统提供的接口

2）系统调用函数的操作文件接口

open、read、close、lseek：

在使用这些系统调用接口时，应该包含头文件：
#includ e
#include
#include

open：

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

pathname: 要打开或创建的文件
flag： 打开文件时可以传入多个参数选项
O_RDONLY ：只读 八进制 0
O_WRONLY ：只写 1
O_RDWR ：可读写 2
O_CREAT ：不存在则创建文件 100
返回值：
成功：返回打开的文件描述符
失败：返回-1

示例：
int fd = open(“path”,O_RDWR | O_CREAT,0664）可读写，没有创建并且文件权限664(八进制)->对应二进制 110 110 100

O_REWR | O_CREAT： 这里用两者的或来表示权限
原因：参数在都是以八进制码存储的
例如：O_REWR ：可读可写，八进制–>2 ，对应二进制 00000000 00000000 00000000 00000010，二进制的低八位，每一位都代表了不同权限，两者或的结果就可实现：可读可写没有文件则创建一个

O_RDWR | O_CREAT
00000000 00000000 00000000 00000010 八进制2 ，可读可写
00000000 00000000 00000000 01000010 八进制100 ，没有文件则创建
按位或(有1则为1)
00000000 00000000 00000000 01000010

read，write，lseek，close

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
int close(int fd);

3）文件描述符

操作系统会给每个进程在磁盘中创建一个以进程号(pid:进程标识符)命名的文件夹，该文件下有一个fd文件夹，保存的是文件描述符，新创建的进程会打开三个文件描述符，分别对应，标准输入(0)，标准输出(1)，标准错误(2)，不关闭前三个则打开其他（3），用完但没有关闭会造成句柄泄露

下面是查看文件描述符的操作：

注意：进程退出之后这个文件就被清除了，因此可在程序中写死循环，新开一个终端查看

下面介绍进程是如何和文件建立起联系的：

创建一个进程，相当于创建了一个task_struct结构体，在这个结构体里有一个类型为files_struct的结构体指针files专门用来保存该进程已打开文件的信息，其中有指针数组fd_array，数组中每一个的每一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，只要拿着文件描述符（保存着文件原信息，文件大小，权限等等），就可以找到对应的文件

结论：
1.文件描述符其实就是指针数组fd_array[ ]的下标
2.文件描述符是一个正整数，分配原则为最小未占用原则

文件描述符的分配规则：

#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
 int fd = open("myfile", O_RDONLY);
 if(fd < 0){
 perror("open");
 return 1;
 }
 printf("fd: %d\n", fd);
 close(fd);
 return 0;
}

输出结果：fd：3

那么关闭文件描述符0或者2，再看

#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
 close(0);					//关闭标准输入
 //close(2);				//关闭标准错误
 int fd = open("myfile", O_RDONLY);
 if(fd < 0){
 perror("open");
 return 1;
 }
 printf("fd: %d\n", fd);
 close(fd);
 return 0;
}

发现是结果是： 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

4）文件描述符和文件流指针的区别

文件流指针也就是FILE* fp中有一个指针int _fileno；保存的就是文件描述符的数值
1)文件流指针是fopen函数返回的，是库函数维护的
2)文件描述符是open函数返回的，是内核维护的

C语言中FILE 在操作系统中其实是struct _IO_FILE 结构体：不同文件流指针会创建不同的IO结构体，保存了不同的文件描述符，文件流指针里保存着很多文件描述符
c库维护的exit函数在退出时，会刷新缓冲区，而操作系统接口_exit函数不会刷新缓冲区
FILE是typedef struct _IO_FILE，里面保存着读写缓冲区(C库中的东西)，最下面还有一个指针int _fileno，保存的就是文件描述符的数值，exit()退出时刷新缓冲区就是读缓冲区，操作的是文件流指针，而_exit()无法刷新是因为它是系统调用接口

5）重定向接口

int dup2(int oldfd, int newfd);把newfd文件描述符指向改为oldfd文件描述符指向

#include
#include 
#include
#include
int main()
{
    int fd=open("./Linux",O_RDWR | O_CREAT,0664);
    dup2(fd,1);     //也就是把当前进程标准输出修改成了fd的路径(fd的路径：指向当前目录下的Linux文件)
    printf("fd:%d\n",fd);
    printf("正在学习~~\n");
    close(fd);
    return 0;
}

这段代码没有任何输出，但在Linux文件中可以看到：
fd:3
正在学习~~
我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件Linux当中，其中，fd＝1。这种现象叫做输出重定向。

重定向的本质：就是修改了文件描述符的指向

当打开一个文件时，系统会给程序分配一个文件描述符，如果使用完毕没有关闭文件，就会造成文件句柄泄露

一个进程当中最大打开的文件数量是多少？
在终端中输入：ulimit -a，可以看到：open files (-n) 1024
1.默认打开文件数量1024 其实真实并不是1024，（3~1023）要减去默认的三个文件，0：标准输入，1：标准输出，2：标准错误 ，所以实际打开文件1021
2.ulimit -n[num]更改最大打开数量为num，ulimit -a 查看设置权限
例：ulimit -n2020

5）文件系统

线性存储方式可能会导致磁盘利用率较低，离散式存储能提高磁盘利用率，ext2文件系统就是采用了离散式存储，每个比特位表示Data blocks中块的使用情况，为1表示占用，0表示空闲。
创建一个新文件有以下操作：
1.在BlockBitMap中查找空闲block块，将文件存储在空闲的block块当中。
2.再通过inode BitMap获取空闲的inode节点，内核在空闲的inode节点中描述文件的属性和位置。
3.添加文件名到目录，文件名和inode之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来。
要在磁盘中找一个文件，要找的是inode，拿到inode也就获取的文件地址

硬链接： 类似引用，inode和原文件相同
软链接： 类似于快捷方式，inode和原文件不同
创建一个硬链接：ln file1 file2
创建一个软链接：ln -s file1 file2
ll -i 可以看到软链接的inode节点号不同，软链接文件具有独立的inode节点号，而硬链接两个的inode节点一模一样，一个文件生成了两个有效路径

总结：

1.理解进程打开或创建一个文件，要通过哪些步骤
2.理解文件在磁盘中的存储方式和读取
3.理解文件描述符