[Linux]基础IO详解（系统文件I/O接口、文件描述符、理解重定向）

        hello，大家好，这里是bang___bang_ ，今天和大家谈谈Linux中的基础IO，包含内容有对应的系统文件I/O接口，文件描述符，理解重定向。

  

目录

1️⃣初识文件

2️⃣ 系统文件I/O接口

open

write

read

close

3️⃣文件描述符

0&1&2

内核中文件描述符的探究

分配规则

4️⃣重定向

重定向现象 

重定向的本质

dup2系统调用

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1️⃣初识文件

        ✦文件=内容+属性（属性也是数据）

        ✦文件的所有操作：a.对内容    b.对属性

        ✦文件在磁盘（硬件）上放着，我们访问文件，先写代码->编译->exe->运行->访问文件。

        本质上是 进程 在访问文件。

Linux下一切皆文件。曾经我们理解的文件就是磁盘上的那些普通文件能read，write。

        在C语言中，我们对显示器有方法：printf->这是write（output）;键盘：scanf->这是read（input）。也就是说我们的显示器和键盘也是文件。

        站在系统的角度来说：我们的程序要加载到内存，键盘相当于把我们的数据输交给内存(input)，而内存把读取到的数据刷新到文件或者显示器当中(output)。

系统角度：能够被input读取，或者能够被output写出的设备就叫做文件！

2️⃣ 系统文件I/O接口

        在C语言中，文件操作接口有fopen,fwrite,fprintf,fclose等等，实际上这些接口都是封装了系统I/O接口。

open

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

参数 :

         O_RDONLY: 只读打开

         O_WRONLY: 只写打开

         O_RDWR : 读，写打开

        O_RDONLY  O_WRONLY  O_RDWR 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： 清空文件

mode： 为新建文件设置权限

问题：如何实现flags传入多个参数选项呢？

答：采用位图的思想，flags的参数实际上是一个int类型的数，参数之间进行|运算，就能实现传入多个参数的效果。

源码定义

O_WRONLY | O_CREAT 

模拟结果

检测是否有当前状态，只需要使用flag&状态的值。

0110 0101 & 0000 0001 = 0000 0001 有O_WRONLY状态

0110 0101 & 0110 0100 = 0110 0100 有O_CREAT状态

open函数图中我框选了返回值为一个文件描述符，在下面讲解。

简单使用open

#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);
    assert(fd!=-1);
    printf("open sucess! fd:%d\n",fd);
    return 0;    
}

权限解释

write

 功能：把缓冲区buf的前count字节写入与文件描述符fd关联的文件中。它返回实际写入的字节数。

测试write

#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    assert(fd!=-1);
    printf("open sucess! fd:%d\n",fd);
    const char* buf="This is a test\n";
    write(fd,buf,strlen(buf));
    return 0;    
}

read

功能：从与文件描述符fd相关联的文件中读取count个字节的数据。并把它放入到数据区buf中。

测试read，读取上面write写的内容

int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_RDONLY);
    assert(fd!=-1);
    printf("open sucess! fd:%d\n",fd);

    char res[64];
    read(fd,res,sizeof(res));
    printf("res:%s",res);
    return 0;    
}

close

 

功能：将文件描述符fd相关联的文件关闭。

close操作演示

int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_RDONLY);
    assert(fd!=-1);
    printf("open sucess! fd:%d\n",fd);
    close(fd);
    return 0;    
}

3️⃣文件描述符

0&1&2

fd的显示问题：

int main()
{
    int fd1=open("log1.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    int fd2=open("log2.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    int fd3=open("log3.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    int fd4=open("log4.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    assert(fd1!=-1);
    assert(fd2!=-1);
    assert(fd3!=-1);
    assert(fd4!=-1);
    printf("open sucess! fd1:%d\n",fd1);
    printf("open sucess! fd2:%d\n",fd2);
    printf("open sucess! fd3:%d\n",fd3);
    printf("open sucess! fd4:%d\n",fd4);
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
    return 0;    
}

问题：为什么fd是从3开始？ 

答：实际上C/C++程序默认会打开三个文件流：标准输入stdin（0），标准输出stdout（1），标准错误stderr（2）

0，1，2一般对应的物理设备是：键盘，显示器，显示器。

内核中文件描述符的探究

在上面我们可以发现文件描述符fd就是一个小整数，那么在内核中文件描述符究竟是什么呢？

内核结构

        当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行 open 系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files, 指向一张表 files_struct, 该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每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，就可以找到对应的文件。

抽象结构图

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。

验证分配规则，关闭文件0，进行分配。

int main()
{
    close(0);
    int fd=open("log1.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    assert(fd!=-1);
    printf("open sucess! fd:%d\n",fd);
    close(fd);

    return 0;    
}

问题：如果关闭文件描述符1，为什么没有输出显示。

答：文件描述符1对应显示器，关闭后自然就不会有内容显示到显示器了，但是也没有显示到文件log.txt中。

4️⃣重定向

重定向现象 

问题：上面例子中内容没有显示到显示器和文件log.txt中，那么内容实际上在哪个地方？

答：在文件的缓冲区中。

那是不是意味着我们刷新缓冲区就可以将内容显示出来？

int main()
{
    close(1);
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT| O_TRUNC,0666);
    assert(fd!=-1);
    printf("open sucess! fd:%d\n",fd);
    fflush(stdout);//刷新缓冲区
    close(fd);
    return 0;    
}

刷新后成功输出，内容本来应该输出到显示屏，但是现在输出到了log.txt这实际上就是输出重定向！！！（O_CREAT创建文件，O_TRUNC刷新文件，实现C语言中的w模式；O_APPEND追加内容，实现C语言中的a模式）

重定向的本质

重定向的本质，其实是在OS内部，更改fd对应的内容的指向！！

dup2系统调用

在重定向中，我们通常不使用close关闭fd，再重定向，而是直接使用系统调用dup2来重定向。 

将oldfd的内容给newfd，即newfd对应内容指向oldfd

dup2系统调用测试

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

int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT| O_TRUNC,0666);
    assert(fd!=-1);
    dup2(fd,1);
    printf("open sucess! fd:%d\n",fd);
    close(fd);
    return 0;    
}

dup2实现重定向

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文末结语，本文讲解Linux的基础IO，包含内容：初识文件，系统文件I/O接口open、read、write、close，文件描述符的详细讲解以及文件描述符的分配规则，重定向现象的演示及重定向的本质讲解，实现重定向的系统调用dup2。如有需要，希望能有所帮助！！！