【Linux初阶】基础IO - 文件操作(使用系统接口实现) | vim批量注释代码

hello，各位读者大大们你们好呀
系列专栏：【Linux初阶】
✒️✒️本篇内容：重新理解文件和文件操作，C语言实现的简单文件操作，文本初始权限，系统接口介绍（open、close、write、read）
作者简介：计算机海洋的新进船长一枚，请多多指教( •̀֊•́ ) ̖́-

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前言

相信很多朋友在C语言学习阶段已经接触过文件操作的相关知识，在这篇文章中，我们会更深入的学习文件的知识，以操作系统的视角，重新认识和理解文件。

那么话不多数，让我们直接开始吧！

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一、重新谈论文件

在学习文件之前，我们需要重新回顾一下文件的相关知识，让我们对文件有一个系统、立体的认识。

1. 空文件，也要占据空间；
2. 文件 = 内容 + 属性；
3. 文件操作 = 对内容/属性 or 内容+属性的操作；
4. 标定一个文件，必须使用：文件路径+文件名【唯一性】；
5. 如果没有指明对应的文件路径，默认是在当前路径下进行文件访问；
6. 当我们把 fopen，fclose，fread，fwrite等接口写好，代码编译完形成二进制可执行文件之后，如果没有运行起来，文件对应的操作不会被执行；文件操作的本质：进程对文件的操作；
7. 一个文件要被访问，就必须先被打开（用户进程调用接口，OS帮我们打开）；

所以，我们研究文件操作，实际上就是在研究进程和被打开文件的关系

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二、重新谈论文件操作

1.除了C/C++，其他语言有文件接口吗？

实际上，除了C/C++，Java、Python、php、go等语言都有自己的文件操作接口，它们的文件操作接口都不一样！那么问题来了，有那么多的文件操作接口，我们应该怎么降低我们的学习成本呢？

在解答上面这个问题之前，我们要明确我们的文件是如何被操作的。我们的文件储存在我们的磁盘中，磁盘 -> 硬件 -> OS（硬件被操作系统管理）->所有人想访问磁盘都不能绕过OS -> 使用OS提供的接口（文件级接口）。

所以无论上层语言怎么变化，a.库函数底层必须使用系统调用接口；b.库函数可以千变万化，但是底层不变。这就得出了我们降低学习成本问题的答案，只要我们学习不变的东西，我们就可以降低我们学习文件操作知识的成本了。在这篇文章中，我会着重讲述文件操作的底层原理和常见系统调用接口。

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2.vim知识补充 - 如何批量注释代码

在博主使用 vim进行学习的过程中，常常需要对其中的代码进行大范围操作，经过网络搜索发现各种阅读量靠前的信息并不能满足自己对 vim操作快速便捷简明的要求，因此在此处根据自己的编码习惯对 vim相应的知识做相应的补充。

批量化注释代码：Ctrl+v进入块选择模式（V-BLOCK模式），h、j、k、l分别代表左下上右，控制块的大小，输入大写 I，此时下方会提示进入“insert”模式，再输入注释符//，按Esc回到初始NORMAL模式（返回后才会完成批量化注释）。

撤销上一次的操作：初始NORMAL模式下按 u。

取消批量注释：Ctrl+v进入块选择模式（V-BLOCK模式），选中你要删除的行首的注释符号，注意// 要选中两个，输入d 即可完成取消批量注释。

调整代码格式 + 批量删除代码：Ctrl+v进入块选择模式（V-BLOCK模式），下拉选中你要删除的代码首行，输入小写 d，代码集体向前缩进一行。输入大写 D，删除选中行所有的代码。

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3.C语言实现的简单文件操作

（1）写入文件

打开文件的操作如下，fopen(要打开的文件名, 操作形式)，其中操作形式有 r（读）、w（写）、r+、w+、a（追加文件内容）、a+ 等。

 //r,w, r+(读写,不存在出错),w+(读写, 不存在创建), a(append, 追加), a+()【追加式写入】
 FILE* fp = fopen(FILE_NAME, "w");

在下面的演示代码中，我们以 w为例，即文件不存在，创建+写入。以 w单纯打开文件，c会自动清空文件内部的数据。

#include 
#include 

// 我没有指明路径
#define FILE_NAME "log.txt"

int mian()
{
    FILE* fp = fopen(FILE_NAME, "w"); //r,w, r+(读写,不存在出错),w+(读写, 不存在创建), a(append, 追加), a+()
    if (NULL == fp)
    {
        perror("fopen"); //验证文件打开是否成功
        return 1;
    }

    int cnt = 5;
    while (cnt)
    {
        fprintf(fp, "%s:%d\n", "hello world", cnt--);
    }

    fclose(fp);

}

最后，我们会把五个hello world写入到文件中

【补充】我们可以通过 cat + 文件名指令打印对应的文件内容

（2）读取文件

fget读取文件：以行为单位，从特定的文件流中获取数据，放到 s指向的缓冲区之中，如果成功返回 s，失败返回NUll。

在下面的演示代码中，我们以 r操作为例，即文件存在，读取文件。

FILE* fp = fopen(FILE_NAME, "r"); 

代码如下（示例）：

#include 
#include 
#include 

// 我没有指明路径
#define FILE_NAME "log.txt"

int mian()
{
    FILE* fp = fopen(FILE_NAME, "r"); //r,w, r+(读写,不存在出错),w+(读写, 不存在创建), a(append, 追加), a+()
    if (NULL == fp)
    {
        perror("fopen"); //验证文件打开是否成功
        return 1;
    }

    char buffer[64];
    while(fgets(buffer, sizeof(buffer) - 1, fp) != NULL)//#include ，//fgets会把数组最后的\0（换行）也输入获取进去，所以要-1
    {
        buffer[strlen(buffer) - 1] = 0;//输入指令时需要按回车，回车也会被也输入获取进去，所以要将最后一位置0
        puts(buffer);
    }

    fclose(fp);

}

代码运行成功之后，会输出文件内容

（3）追加文件内容

我们以 a操作为例，即文件存在，追加文件内容。

#include 
#include 
#include 

// 我没有指明路径
#define FILE_NAME "log.txt"

int mian()
{
    FILE* fp = fopen(FILE_NAME, "r"); //r,w, r+(读写,不存在出错),w+(读写, 不存在创建), a(append, 追加), a+()
    if (NULL == fp)
    {
        perror("fopen"); //验证文件打开是否成功
        return 1;
    }

    int cnt = 5;
    while (cnt)
    {
        fprintf(fp, "%s:%d\n", "hello world", cnt--);
    }

    fclose(fp);

}

代码每成功运行一次，会向文件中追加5个hello world的内容

【注意】其他语言会有其他的文件操作方法/接口，以C++为例，会有 std::ifsteam::opean（）打开文件、std::ifsteam::ifsteam（传文件流）等，有兴趣的小伙伴可以自己去了解一下哦~

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三、文本初始权限

文件创建的初始权限为666，但是需要0666 & ~umask，umask的默认值为0002，因此我们普通文本类文件创建时大部分的权限都是664。

664的权限表示为： -rw-rw-r–

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四、系统接口介绍

在上面的章节中，我们学习的C语言进行文件操作的部分接口，但这并不是我们本次学习最重要的知识，下面通过对系统调用接口的学习，相信大家一定能对文件的底层有更深入的了解。

1.open接口

opean，打开或创建一个文件，我们可以通过man指令来查看一下 open的基本信息

man 2 open 

#include 
#include 
#include 

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，构成flags;
	mode: 权限，创建文件时设置文件的起始权限（通常设置为 0666）;
	
参数:
 	O_RDONLY: 只读打开
 	O_WRONLY: 只写打开
 	O_RDWR : 读，写打开
 	这三个常量，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: 清空原文件

返回值：
	成功：新打开的文件描述符（descriptor）
	失败：-1

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2.open接口中的flag标记位

（1）flag标记位介绍

下面是文档中对 flag的描述

• O_RDONLY - 只读
• O_WRONLY - 只写
• O_RDWR - 读写
• O_CREAT - 创建
• O_TRUNC - 清空文件

【注意】我们可以使用树划线 | （通道），将不同的flag选项串联起来。

int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);

（2）flag底层原理（仅作了解）

在C语言中，我们以一个整数（int）作为一个标记位。因为一个int由32个比特位构成，我们让1存在于32位比特位中的不同的位置，使用不同的比特位组合，实现对不同情况的标识。open中的flag底层就是使用这样的原理进行选项传递的。

下面是一个应用比特位作为标识，输出不同结果的代码示例

#include 
#include 
#include 

// 每一个宏，对应的数值，只有一个比特位是1,彼此位置不重叠
#define ONE (1<<0)
#define TWO (1<<1)
#define THREE  (1<<2)
#define FOUR (1<<3)

void show(int flags)
{
    if(flags & ONE) printf("one\n");
    if(flags & TWO) printf("two\n");
    if(flags & THREE) printf("three\n");
    if(flags & FOUR) printf("four\n");
}

int main()
{
    show(ONE);
    printf("-----------------------\n");
    show(TWO);
    printf("-----------------------\n");
    show(ONE | TWO);
    printf("-----------------------\n");
    show(ONE | TWO | THREE);
    printf("-----------------------\n");
    show(ONE | TWO | THREE | FOUR);
    printf("-----------------------\n");
}

代码运行起来之后，我们就可以根据不同的标记位，输出不同的内容

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3.close

close - 系统级调用，关闭文件

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


#define FILE_NAME "log.txt" 

int main()
{
	// 以只读的方式打开
    int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    close(fd);
}

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4.write接口

通过 man查看 write的文档，

参数：fd - 想往哪个文件写，buf - 对应文件的缓冲区在哪里，count - 缓冲区对应的字节个数。

通过观察 write的接口，我们可以发现，有const void *类型参数的存在，这也告诉了我们，无论其他编程语言传入的是什么类型的数据（文本、图片），在系统调用接口（操作系统）的层面，都可以将它们对应的二进制数据读取进去。

我们之前就提及过，在C语言的文件操作接口中，中以 w单纯代开文件，c会自动清空文件内部的数据，这是为什么呢？我们的系统调用接口也会自动帮我们做吗？实际上，我们的系统调用接口并不会在下一次打开时自动清空里面的数据，C语言的接口能完成是因为它做了相应的封装。

那我们要怎么样才能让系统调用接口在打开时就清空呢？这里我们就需要在open中添加一些 flag选项了。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


#define FILE_NAME "log.txt" 

int main()
{
	// 只写 + 新建
	//int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
	// 只写 + 新建 + 清除原文件内容
    int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    int cnt = 5;
    char outBuffer[64];
    while (cnt)
    {
        sprintf(outBuffer, "%s:%d\n", "aaaa", cnt--);
        // 你以\0作为字符串的结尾，是C语言的规定，和我文件有什么关系呢？
        write(fd, outBuffer, strlen(outBuffer));
    }

    close(fd);
}

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5.read接口

通过 man查看 read的文档，

参数：fd - 读哪个文件，buf - 对应文件的缓冲区在哪里，count - 缓冲区对应的字节个数。

read返回值，成功返回读到的字节数，0则代表读到了文件的结尾。

假设我们的文件已经存在且其中保存的是字符串，虽然系统调用接口理论上可以读取任何类型的文件，但是我们还是需要根据实际情况，为read提供读取结束的依据，所以我们需要在下方增加一个字符串结束的判断。

int main()
{
    int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buffer[1024];
    ssize_t num = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (num > 0) buffer[num] = 0; // 0, '\0', NULL -> 0   为读取提供结尾
    printf("%s", buffer);

    close(fd);
}

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6.库函数接口和系统调用接口的关系

这里我们以C语言的库函数接口为例，我们使用库函数接口实际上底层都调用了对应的系统调用接口。

也就是说，库函数接口是系统调用接口的封装。对应的，系统调用接口会将对应的返回值返回给库函数接口，使其能完成对应的功能。（其他编程语言以此类推）

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结语

基础IO - 文件操作(使用系统接口实现) 的知识大概就讲到这里啦，博主后续会继续更新更多C++ 和 Linux 的相关知识，干货满满，如果觉得博主写的还不错的话，希望各位小伙伴不要吝啬手中的三连哦！你们的支持是博主坚持创作的动力！