[Linux]---系统编程之基础IO

基础IO

• 标准库I/O
• 系统调用I/O
• 认识文件描述符且理解重定向
• 文件系统基本认识
• 文件的软硬链接

⭐标准库I/O

• fopen ：打开文件
• fclose：关闭文件
• fwrite：向文件写入数据
• fread：从文件读出数据
• fseek：跳转读写位置

函数原型：FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

参数解释：
path：文件路径
mode：(打开方式)

• r：以只读方式打开文件；在起始位置读数据，文件不存在，则报错；
• r+：以可读可写方式打开；在起始位置读写数据；文件不存在，则报错;
• w：以只写方式打开文件；从起始位置写入数据；若存在该文件，则清空，若不存在，则创建;
• w+：以可读可写方式打开；从起始位置读写数据；若存在，则清空，若不存在，则创建;
• a：以追加只写方式打开；在文件末尾写数据；文件不存在，则创建;
• a+：以可读，写追加方式打开；读数据在起始位置，写从末尾开始；文件不存在，则创建。

返回值：
打开失败时，文件流指针返回NULL；成功时，返回文件流指针，做为操作文件的操作句柄.

int fclose(FILE *stream);

参数解释：
stream：文件流指针
补充：
feof()是检测流上的文件结束符的函数，如果文件结束，则返回非0值，否则返回0

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

参数解释：
ptr：是指向要被写入的元素数组的指针(要写入的内容)。
size：是要被写入的块的大小，以字节为单位。
nmemb：是块的个数
stream：表示是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象指定了一个输出流(要写入的文件)。
返回值：
如果成功，则返回块的个数。失败或者到达文件末尾，则返回0
补充：
当块个数为1，写入的数据不足块的大小，返回值为0，为了防止这种情况，则可以将第二个参数写1，第三个参数写成一个数组的实际大小，则返回得是实际写入的字符串的长度。

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

参数解释：
ptr：用于接收数据的内存地址
size：要读的每个块的字节数，单位是字节
nmemb：块的个数
stream：这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象指定了一个输入流(要读出的文件)。
返回值：
如果成功，则返回块的个数。失败或者到达文件末尾，则返回0

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

参数解释：
stream：这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象标识了流。
offset：这是相对 whence 的偏移量，以字节为单位。
whence：3种情况

• SEEK_SET：从文件的起始位置偏移
• SEEK_CUR ：从当前读写位置偏移
• SEEK_END：从文件末尾偏移作用：

该函数的作用：可以向后任意跳转文件的当前读写位置，即使文件没有数据也可以跳转读写位置

c++中的标准库的输入输出：
他们都是FILE*结构体（文件流指针）

	标准输入	标准输出	标准错误
文件描述符	0	1	2
宏定义	STDIN_FILENO	STDOUT_FILENO	STDERR_FILENO

标准库IO接口的操作句柄是：FILE*------文件流指针

⭐系统调用I/O

• open：打开文件
• write：向文件中写入数据
• read：从文件中读取数据
• lseek：跳转文件中的读写位置
• close：关闭文件

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

这是一个不定参函数，当第二个参数为O_CREAT，则必须给出文件的权限，也就是第三个参数(八进制)
参数解释：
pathname：文件路径名
mode ：当使用O_CREAT的时候有可能新建文件，因此需要指定文件的权限
mode & (~umask) =实际最终得到的文件权限
flags：选项标志
必选选项（并且只能选择其一）：

• O_RDONLY ----只读
• O_WRONLY----- 只写
• O_RDWR------可读可写

可选选项：

• O_CREAT：若文件不存在则创建。存在则打开
• O_EXCL ：与O_CREAT一起使用，若文件存在则报错,单独是不起作用的
• O_APPEND：写入数据使用追加写方式
• O_TRUNC ：打开文件的时候清空原有数据

例如：
w+：O_RDWR | O_CREAT |O_TRUNC
a： O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT

返回值: 错误返回-1；成功返回一个非负整数—文件描述符—打开的文件的操作句柄

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数解释：
fd：open返回的文件描述符—文件的操作句柄—通过这个fd指定要往哪个文件写入数据；
buf：要写入文件的数据的首地址；
count：要写入文件的数据长度；
返回值：成功返回实际写入文件的数据字节长度 失败返回：-1

sszie_t read(int fd,void *buf,szie_t count)

参数解释：
fd：open返回的文件描述符；
buf：一块缓冲区，从文件中读取的数据的放置位置，同时文件的当前读写位置向后移；count：想要读取的数据长度。
返回值：
（1）如果成功，返回读取的字节数；
（2）如果出错，返回-1并设置errno；
（3）如果在调read函数之前已是文件末尾，则返回0

off_t lseek(int fd，off_t offset，int whence)

参数解释：
fd：打开文件所返回的文件描述符；
offset：偏移量；
whence：偏移位置，从哪里开始偏移，有3种情况：

• SEEK_SET—文件起始位置
• SEEK_CUR—文件当前读写位置
• SEEK_END—文件末尾返回值：

返回值：成功时返回当前位置相对于起始位置的偏移量；失败时返回-1

int close(int fd)：

作用：通过文件描述符关闭文件，释放资源
fd：文件描述符
返回值：成功返回0，失败时返回-1

⭐认识文件描述符且理解重定向

文件描述符

文件描述符：是一个非负整数，是操作文件的句柄。是内核中一个进程打开的文件描述信息表的下标–通过这个下标可以在内核中找到相应的文件描述信息，通过这个描述信息可以实现文件的操作。

文件描述符操作的原理（文件描述符有个分配规则：最小未使用）

为什么打开一个文件，如果不操作了一定要关闭，释放资源？
因为文件描述符实际是有限的，若不关闭文件，文件描述符用光，则在进程中就打不开新文件了.

一个程序运行起来，进程中会默认打开三个文件：

• 标准输入—0
• 标准输出—1
• 标准错误—2

重定向

概念：将数据不再写入原本的文件，而是写入新的指定的文件中—实现方式就是替换这个描述符对应的文件描述信息，使文件描述符指向新的文件描述信息。

原理：实际是描述符的重定向，改变描述符所指向的文件，就改变了数据的流向

实现该功能的函数：int dup2(int oldfd,int newfd)
功能：让newfd这个描述符也指向odlfd所指向的文件，这时oldfd和newfd都能够操作oldfd所指向的文件。

文件描述符与文件流指针的关系：
文件描述符：非负整数—系统调用的IO接口
文件流指针：FILE结构体—typedef struct _IO_FILE FILE—库函数IO接口的操作句柄

问题来了：为什么多此一举封装fd？
请感受系统调用接口和库函数的区别：

那么问题又来了：缓冲区在什么地方？
在文件流指针的结构体中定义了缓冲区，这个缓冲区通常被称为用户态缓冲区

⭐文件系统基本认识-软硬连接

文件系统：就是磁盘上管理文件的系统
以linux下的ext2文件系统为例：

文件的存储流程：
通过超级块找到inode位图/数据块位图，通过数据块位图快速找到空闲的磁盘块存储文件数据，通过inode位图快速找到空闲的inode节点存储文件的元信息；—文件数据存储完毕。

获取文件的数据流程：
通过文件名打开一个文件，在所在目录文件中通过文件名找到这个文件的inode节点号；在磁盘超级块中找到inode节点区域，根据inode节点号，快速找到inode节点，得到数据存储的磁盘块号，取出数据。

每一个文件都有一个唯一的inode节点 ；
ls -i：可以看到文件的inode节点号；

⭐文件的软硬链接

软链接 / 硬连接：可以通过软链接文件或者硬链接文件操作源文件

如何创建软链接文件以及硬链接文件：(源文件：test.txt)
为源文件创建一个硬链接文件：ln test.txt test.hard
为源文件创建一个软链接文件：ln -s test.txt test.soft

软链接文件与硬链接文件的区别：

• 本质区别：软链接文件是一个独立的文件，类似于文件的快捷方式，有自己的inode节点硬链接文件是一个文件的目录项，类似于一个文件的别名，与源文件指向相同的一个inode节点
• 操作方式的不同：软链接文件通过存储的源文件路径找到源文件inode，进而访问文件数据；硬链接文件直接通过自己的inode节点号直接访问文件数据
• 删除源文件：软链接失效，硬连接仅仅是链接数-1，依然可以访问
• 软链接可以跨分区建立，但是硬链接不可以
• 软链接可以对目录创建，但是硬链接不可以

OK，今天笔者先总结到这里。如有问题或者疑惑，欢迎各位小伙伴们指出。我们一起交流，一起进步！