[Linux] 基础IO控制 -- 文件操作接口

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标准库IO接口

标准库IO接口：

1. fopen
2. fclose
3. fwrite
4. fread
5. fseek

文件流函数：（类型：FILE*）

• stdin：标准输入
• stdout：标准输出
• stderr ：标准错误输出

fopen

• r ：只读
• r+：可读可写，每次都在文件首部开始，覆盖式读写。
• w：只写，文件不存在则创建，存在则清空内容。
  （truncate:截断，file to zero length截断点为0，清空内容再进行写入）
• w+：读写，文件不存在则创建，存在则清空内容，覆盖式读写。
• a：只写追加，文件不存在则创建，每次写入数据都是写入文件末尾。
  因为是只写追加，故不能读取数据，不能使用fseek回到SEEK_SET，必须改变方式为a+即可。
• a+：可读写追加，文件不存在则创建，读数据的初始位置是在文件起始，写数据一直追加在文件末尾。

其他接口：
fgets：获取一行数据

printf：格式化数据，直接打印，即写入标准输出stdout。
fprintf：格式化数据，写入指定的文件流指针，给定stdout就与printf等效了。
sprintf：格式化数据，放入一个容器buf。是一个用于字符串链接的函数。
snprintf：多了一个size，格式化时只向buf中写入固定个数的单位，防止溢出。

sscanf：把数据字符串按照格式拆解。

perror：是面向库函数的，库函数中会封装许多系统调用接口，所以一旦出错，不容易确定到底是哪个接口出的问题。

标准库IO接口操作句柄是：文件流指针FILE*，文件流指针这个结构体中就包含了文件描述符，当使用标准库接口进行IO，最终本质是通过文件流指针找到文件描述符，进而对文件进行操作。

fseek

函数原型：fseek(...，...，whence)；

其中第3个参数whence（偏移量）的选项取值：

1. SEEK_SET： 文件起始位置
2. SEEK_CUR： 当前位置
3. SEEK_END： 文件末尾位置

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系统IO接口

系统调用接口：【open、write、read、lseek、close】

open

• 所属头文件 < fcntl.h >
• 函数定义：

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

1. pathname：文件路径名

2. flags：选项标志 （中间通过 或 “|” 间隔）

   - 必选项(必选其一)	含义	fcntl.h中宏定义
   O_RDONLY	只读	0
   O_WRONLY	只写	1
   O_RDWR	可读可写	2

   - 可选项	含义
   O_CREAT	文件不存在则创建，存在则打开
   O_EXCL	与O_CREAT同用时，若文件存在则报错
   O_TRUNC	打开文件同时截断文件长度为0处，打开时清空文件内容
   O_APPEND	追加写入

3. mode ：创建文件时给定权限。（八进制数字）

• 所属头文件：
• 函数定义：

mode_t umask(mode_t mask);

最终创建出文件的权限情况计算方法：

mode & (~umask)

当前设定的权限仅仅针对于调用进程，不针对于操作系统。

4. 返回值
   返回文件描述符 ，其实就是一个正整数，错误时返回-1。

open函数用法演示

int fd = open("./temp.txt",O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC,0777);
if(fd < 0){
	perror("open error");
	return -1;
}

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write

• 所属头文件 < unistd.h >
• 函数定义：

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

1. ssize_t：有符号长整型（signed size_t）
2. fd：打开文件所返回的文件描述符
3. buf：要向文件写入的数据
4. count：要写入的数据长度
5. 返回值：实际的写入字节数，错误返回-1

write函数用法演示

char buf[1024] = "nihao\n";
int ret = write(f,buf,strlen(buf));
if(ret < 0){
	peror("write error");
	return -1;
}

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read

• 函数定义：

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

1. fd： 打开文件所返回的文件描述符
2. buf： 对读取到的数据进行储存的位置，是一个地址
3. count： 要读取的数据长度
4. 返回值：实际的读取字节数，错误返回-1，如果为0说明读到了文件末尾。

read函数用法演示

memset(buf,0x00,1024);
ret = read(fd,buf,1023); //只读 1023 个字节是为了不出现乱码，因为上一步在最后一个字节手动置了\0
if(ret < 0){
	perror("read error");
	return -1;
}
printf("read buf:[%s]\n",bug);
close(fd);

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lseek

功能：跳转读写位置

• 函数定义：

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

1. fd：打开文件所返回的文件描述符
2. offset：偏移量
3. whence：偏移位置
4. 返回值：返回当前位置到文件起始位置的偏移量

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close

• 函数定义：int close(int fd);

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如何修改调用进程的文件创建权限掩码？

mode_t umask(mode_t mask);

例如：umask(0)，可以在创建进程之前设置，这样创建出的进程就和设置的参数保持一致。但还是如之前所说，当前设定的权限仅仅针对于调用进程，不针对于操作系统。

另外的一些系统IO接口：
- ftruncate ：通过文件名将文件长度为指定长度
- unlink ：通过文件名称删除一个文件
- fileno ：通过文件流指针，获取文件描述符

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文件描述符 fd

文件描述符和文件流指针的关系：

• 标准库接口使用文件流指针 FILE*
• 系统调用接口使用文件描述符 fd

文件流指针这个结构体中包含文件描述符，文件流指针fp通过文件描述符fd来读写数据。

• 通过调用库函数向文件中写入数据时：
  1. 库函数调用系统调用函数时，先要得到文件描述符。
  2. 用文件流指针fp中找到_fileno，即fd。
  3. 进行操作，完成通过系统调用来写读写数据。
• 当使用标准库接口进行IO，则最终是通过文件流指针找到文件描述符进而对文件进行操作。

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系统已定义的文件流指针

标准输入	标准输出	标准错误
stdin	stdout	stderr
0	1	2
头文件中的宏：STDIN_FILENO	STDOUT_FILENO	STDERR_FILENO

printf打印数据的时候，如果没有刷新缓冲区，数据并不会被直接写入文件而是先写入缓冲区中。每一个文件都有文件缓冲区，缓冲区的描述信息就在文件流指针中。

缓冲区在文件流指针中的描述信息：

char *_IO_read_ptr;
char *_IO_read_end;
char *_IO_read_base;
char *_IO_write_ptr;
...

缓冲区实际是文件流指针为每个文件所维护的一个缓冲区，是一个用户态的缓冲区。

内核态：进程运行在内核态：指的是当前完成功能时操作系统内核完成，操作内核空间。
用户态：进程运行在用户态：指的是当前操作，操作都是在用户空间完成。

• 文件描述符是什么？
  是一个正整型数字，实际上是一个数组下标。

【文件流指针_IO_FILE结构体中的fileno就是文件描述符】

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• 为什么可以通过这个数字操作文件？

当进程每打开一个文件：

1. 都会先使用struct file结构体来描述这个文件。
2. 并且将描述信息加载到struct files_struct这个结构中的file结构体数组中fd_array[](类型为file*)]
3. 并向用户返回数组下标作为文件描述符。
4. 用户通过文件描述符对文件进行操作，但内核实际上是通过文件描述符找到文件描述信息，进而操作文件。

• 注：
  一个进程运行之后，默认打开3个文件：标准输入，标准输出，标准错误，所以要从下标为3开始分配！
  struct files_struct结构体也是PCB中的描述信息。
  描述符个数有限，不能打开了不关闭，会引起资源泄露。

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文件描述符分配规则：最小未使用原则

演示：

int main(){
	close(1);	//关闭标准输出
	int fd = open("./env.c",O_RDWR);
	printf("%d\n",fd);
	fflush(stdout);
	close(fd);
	return 0;
}

printf函数通过stdout，也就是下标为1的标准输出文件流指针来找文件描述符，此时原1号标准输出已经关闭，所以目前最小空闲为1号，所以env.c就占据了1号下标，内容写入了这个文件。这也就是重定向的原理，修改数据流向。

所以：结果无法显示，因为标准输出关闭了。
但是env.c中写入了一个1，说明将空闲的最小下标写入了这个文件。

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dup2()

• 函数定义：

int dup2(int oldfd,int newfd);

针对文件描述符的重定向函数。

• 功能：将newfd文件描述符重定向到oldfd所在的文件。
  若newfd本身已有打开文件，重定向时则关闭已打开文件。

如dup2(fd,1);让1也指向了fd所指向的文件。

演示

int main(){
	int fd = open("./env.c",O_RDWR);
	dup2(fd,1);		//将1号下标描述符中内容改变成为fd下标中的描述信息，即1号也指向了fd。向fd中写入，1也会被写入
	fflush(stdout);
	close(fd);
	return 0;
}

效果：

	1->stdout	3(fd)->a.txt
			↓
	1->a,txt  3->a.txt

对minishell完善重定向功能，其流程为：

1. 接受标准输入数据
2. 解析命令，判断是否包含重定向符号
3. 如果包含，则认为需要输出重定向，这时获取重定向符号后的文件名(将>截断)，将重定向符号替换成\0
4. 在子进程中打开文件，将标准输出重定向到这个文件，进行程序替换