Linux系统编程3--文件IO
前话
内核：当前操作系统的核心程序（主要是驱动程序--一个驱动程序唯一对应一个硬件设备，是组成操作系统内核的关键）
操作系统的本质：程序，内核就是操纵系统的核心程序
内核服务于上层应用，与硬件（硬盘、内存等）打交道
系统调用：由内核提供的函数，由操作系统实现并提供给外部应用程序的编程接口，是应用程序与系统之间数据交互的桥梁
接下来学习严格来说是系统函数--在manpage中，为什么说是系统函数？--系统函数是内核函数（真正调用的函数）做了一层浅封装（系统不想让人看到）
接下来举例说明32位操作系统下，c标准函数和系统函数调用的关系：一个helloword如何打印到屏幕
32位操作系统中打开一个程序（进程）有0-4G地址区域，自己所编写的函数和库函数是用户级函数，在0-3G位置（用户空间），文件描述符表在4G区域（内核空间）。
Printf(“hello”)是从库函数（libc）的printf中，向下调用了write函数，write函数的作用是完成用户空间到内核空间的一个进入工作，write函数传递给sys_write，sys_write再找相应驱动，通过驱动找相应硬件。
其中write函数是我们后面要学习的系统函数中的一个
都在manpage第二卷 man 2 函数
文件描述符
定义：内核为了高效管理这些已经被打开的文件所创建的索引，其是一个非负整数（通常是小整数），用于指代被打开的文件，所有执行I/O操作的系统调用都通过文件描述符来实现。
同时还规定系统刚刚启动的时候，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误。这意味着如果此时去打开一个新的文件，它的文件描述符会是3，再打开一个文件文件描述符就是4
0- STDIN_FILENO 标准输入
1- STDOUT_FILENO 标准输出
2- STDERR_FILENO 标准错误
一个进程可打开1024个文件
PCB进程控制块：本质 结构体（有很多成员，其中有一个成员是一个指针，其能够指向文件描述符表，表里头描述的是文件描述符，文件描述符是指向一个文件结构体的指针（指针指向的文件结构体），其其实再往下细究是键值对）。
PCB描述整个进程的消息的（a.out就是一个进程）
注：如果把文件描述符3关闭，那么4会变为3吗
不会，下一个打开的文件描述符会是3
文件描述符了解一下 - 知乎 (zhihu.com)
缓冲区
[Linux系统编程]文件IO（一）_io系统_Windalove的博客-CSDN博客
更细致的，将hello写入到文件1.txt流程
首先fopen打开文件 fwrite写入文本内容
文本内容来到C标准缓冲区
如果缓冲区满了或者满足条件就刷新C标准缓冲区，调用系统函数write进行写
write把要写入的内容写到内核缓冲区
如果内核缓冲区满了或者满足条件就刷新内核缓冲区，系统调用sys_write将缓冲区内容写入到磁盘（补充：有个进程会择机刷新内核缓冲区）
此时如果有进程读取1.txt文件内容，发现内核缓冲区就有这个文件内容，就直接从内核缓冲区读取为什么要有缓冲区：
定义：缓冲区就是内存里的一块区域，把数据先存内存里，然后一次性写入硬盘中的文件，类似于数据库的批量操作。
好处：减少对硬盘的直接操作，硬盘的执行速度为毫秒级别，内存为纳秒级别。在硬盘直接操作读写效率太低。
内核缓冲区和C标准缓冲区的区别
C语言标准库函数fopen()每打开一个文件时都会对应一个单独一个缓冲区，而内核缓冲区是公用的。
注：不管是内核缓冲区还是c标准缓冲区，大小默认都是4096
而系统函数的缓冲区，可以自定义，但不是用户级缓冲也不是内核缓冲区
c标准缓冲区属于用户级缓冲区
阻塞和非阻塞
阻塞
阻塞、非阻塞： 是设备文件、网络文件的属性。（读常规文件无阻塞概念。）
是程序在等待消息时的状态。
阻塞方式：就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回）。
非阻塞方式：就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回。
/dev/tty -- 终端文件。
open("/dev/tty",O_RDWR|O_NONBLOCK) --- 设置 /dev/tty 非阻塞状态。(默认为阻塞状态)
传入参数、传出参数、传入传出参数
传入参数：
1. 指针作为函数参数。
2. 通常有const关键字修饰。
3. 指针指向有效区域， 在函数内部做读操作。
传出参数：
1. 指针作为函数参数。
2. 在函数调用之前，指针指向的空间可以无意义，但必须有效。
3. 在函数内部，做写操作。
4. 函数调用结束后，充当函数返回值。
传入传出参数：
1. 指针作为函数参数。
2. 在函数调用之前，指针指向的空间有实际意义。
3. 在函数内部，先做读操作，后做写操作。
4. 函数调用结束后，充当函数返回值。目录项和inode
一个文件主要由：dentry、inode和数据块
目录项：包括文件名和inode节点号。
Inode：又称文件索引节点，包含文件的基础信息以及数据块的指针。
数据块：包含文件的具体内容，保存在磁盘里
inode：
本质是结构体，存储文件的属性信息，如：权限、类型、大小、时间、用户（ls -l出的）、盘块位置…也叫做文件属性管理结构，大多数的inode都存储在磁盘上。
少量常用、近期使用的inode会被缓存到内存中。
所谓的删除文件，就是删除inode，但是数据其实还是在硬盘上，以后会覆盖掉。
所以数据恢复就是重新建立inode，指向硬盘
创建硬链接时，就是增加一个一个的目录项(dentry)，目录项不同，Inode相同
dentry：
本质依然是结构体，重要成员变量有两个 {文件名，inode，…}
open函数
open基础
man 2 open
如果创建一个新文件就使用第二个open，打开一个文件就使用第一个open
成功打开或创建返回一个文件描述符（非负整数），出错返回-1
pathname 文件路径
flags 权限控制
O_RDONLY|O_WRONLY|O_RDWR | O_CREAT|O_APPEND|O_TRUNC|O_EXCL|O_NONBLOCK ....
O_RDONLY：只读
O_WRONLY：只写
O_RDWR：读写
O_CREAT：创建一个新的文件
O_APPEND：追加，再往里头写东西
O_EXCL：判断文件是否存在
O_TRUNC：截断文件大小为0，相当于清空
fd = open("./dict.cp", O_RDONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);//rw-r--r--
//如果文件存在，把它以只读方式打开，并截断为零；要是文件不存在就进行创建，并指定文件权限是644mode: 参数3使用的前提，参2指定了 O_CREAT。 取值8进制数，用来描述文件的 访问权限。
rwx 0664
创建文件最终权限 = mode & ~umask（文件默认权限775）
文件权限 = mode & ~umask
open常见错误
打开文件不存在
以写方式打开只读文件（权限问题）
以只写方式打开目录
当open出错时，程序会自动设置errno，可以通过strerror(errno)来查看报错数字的含义
以打开不存在文件为例：
include
include包含在include 中
O_RDONLY, O_WRONLY,O_RDWR包含在include
include是输出的
#include
#include
#include
#include
#include
int main (int argc, char *argv[]){
int fd;
fd = open("./wife.c",O_RDONLY);
printf("fd = %d, errno = %d:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
close(fd);
return 0;
} 执行结果为：
close函数
int close(int fd);关闭打开文件，一般有open就要有close
read函数
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
参数：
fd：文件描述符
buf：存数据的缓冲区
count：缓冲区大小
返回值：
0：读到文件末尾。
成功； > 0 读到的字节数。
失败： -1， 设置 errno
-1： 并且 errno = EAGIN 或 EWOULDBLOCK, 说明不是read失败，而是read在以非阻塞
方式读一个设备文件（网络文件），并且文件无数据。write函数
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数：
fd：文件描述符
buf：待写出数据的缓冲区
count：数据大小
返回值：
成功； 写入的字节数。
失败： -1， 设置 errno实现cp
argc和argv的一些知识
int fd2 = open(argv[2],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0664)
//如果文件存在以读写方式打开，并将其截断为零（清空）；如果文件不存在就创建文件，并赋予0664的
权限int mian(int argc, char* argv[])
//char* argv[]声明一个数组argv，该数组保存多个指向char类型的指针，
//char** argv[]声明argv为指向char类型指针的指针
即：一个是数组类型的声明，一个是指针类型的声明
//argc是命令行总的参数个数
//argv[]是argc的参数，其中第0个参数是程序的全名，以后的参数是命令行后面跟的用户输入的参数比如：
test.c
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("argc is %d\n",argc);
for(int i=0;i 编译gcc test.c -o test后，执行./test
结果:
argc is 1
argv[0] is: ./argtest表明在执行这个程序时，输入的参数只有一个，而且这个参数就是执行程序的这个命令
执行./test 123 abc
结果：
argc is 3
argv[0] is: ./test
argv[1] is: 123
argv[2] is: abc表明程序输入的参数有3个，命令的后面两个用空格分隔的字符串都传给了main函数。
通过argc和argv[ ]我们就可以通过命令向程序传递参数了
程序
#include
#include
#include
#include
#include
int main (int argc, char *argv[]){
int fd1;
int fd2;
char buf[1024];//缓冲区
int n = 0;
fd1 = open(argv[1],O_RDONLY);
if(fd1 == -1) {
perror("open argv[1] error");//错误处理函数
//printf("xxx error: %d\n", errno);也可以
exit(1);//退出
}
fd2 = open(argv[2],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664);
while((n = read(fd1, buf, 1024)) != 0){
write(fd2, buf, n);
}
close(fd1);
close(fd2);
return 0;
} make test编译后
./test hello.c hello1.chello1.c中与hello.c相同
fcntl修改文件属性
用来改变一个【已经打开】的文件的 访问控制属性
int fcntl (int fd, int cmd, ... /*arg*/ );
int flgs = fcntl(fd, F_GETFL);//获取文件状态
flgs|= O_NONBLOCK //非阻塞
fcntl(fd, F_SETFL, flgs);//设置文件状态
获取文件状态： F_GETFL
设置文件状态： F_SETFLlseek函数
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
参数：
fd：文件描述符
offset： 偏移量，就是将读写指针从whence指定位置向后偏移offset个单位（字节）
whence：起始偏移位置： SEEK_SET/SEEK_CUR/SEEK_END
SEEK_SET：文件起始位置；
SEEK_CUR：当前位置；
SEEK_END：文件末尾位置；
返回值：
成功：较起始位置偏移量
失败：-1 errno应用场景：
1.文件的“读”、“写”使用同一偏移位置。
2.使用lseek获取文件大小
3. 使用lseek拓展文件大小：要想使文件大小真正拓展，必须引起IO操作。
使用 truncate 函数，直接拓展文件。 int ret = truncate("dict.cp", 250);
写一个句子到空白文件，之后调整光标位置，读取刚才写那个文件。如果不调整光标位置，是读取不到内容的，因为读写指针在内容的末尾
代码如下：
1. #include
2. #include
3. #include
4. #include
5. #include
6.
7. int main(void)
8. {
9. int fd, n;
10. char msg[] = "It's a test for lseek\n";
11. char ch;
12.
13. fd = open("lseek.txt", O_RDWR|O_CREAT, 0644);
14. if(fd < 0){
15. perror("open lseek.txt error");
16. exit(1);
17. }
18.
19. write(fd, msg, strlen(msg)); //使用fd对打开的文件进行写操作，读写位置位于文件结尾处。
20.
21. lseek(fd, 0, SEEK_SET); //修改文件读写指针位置，位于文件开头。
22.
23. while((n = read(fd, &ch, 1))){
24. if(n < 0){
25. perror("read error");
26. exit(1);
27. }
28. write(STDOUT_FILENO, &ch, n); //将文件内容按字节读出，写出到屏幕
29. }
30.
31. close(fd);
32.
33. return 0;
34. } 编译后：
用lseek的偏移来读取文件大小
结果如下：
使用lseek将fcntl.c原本的698字节填充为800字节，差值102字节：
其实比起读取大小的代码，就时修改了个偏移量，然后要引起IO操作，写入一个“$”
编译运行：
其他函数
stat函数
获取文件属性，（从inode结构体中获取）
stat会拿到符号链接指向那个文件或目录的属性。
不想穿透符号就用lstat
stat/lstat 函数：
int stat(const char *path, struct stat *buf);
参数：
path： 文件路径
buf：（传出参数） 存放文件属性，inode结构体指针。
返回值：
成功： 0
失败： -1 errno
获取文件大小： buf.st_size
获取文件类型： buf.st_mode
获取文件权限： buf.st_mode
符号穿透：stat会。lstat不会。
可以使用stat获取文件大小link和Unlink隐式回收
硬链接数就是dentry数目
link就是用来创建硬链接的
link可以用来实现mv命令
函数原型：
int link(const char *oldpath, const char *newpath)
用这个来实现mv，用oldpath来创建newpath，完事儿删除oldpath就行。
删除一个链接 int unlink(const char *pathname)
unlink是删除一个文件的目录项dentry，使硬链接数-1
unlink函数的特征：清除文件时，如果文件的硬链接数到0了，没有dentry对应，但该文件仍不会马上被释放，要等到所有打开文件的进程关闭该文件，系统才会挑时间将该文件释放掉。目录操作函数：头文件
DIR * opendir(char *name);
DIR*是目录结构体指针，类似于文件结构体指针（FILE*）
DIR*其对应于目录结构体，实现方式是无法看到的
int closedir(DIR *dp);
struct dirent *readdir(DIR * dp);
struct dirent {
inode
char dname[256];
}
没有写目录操作，因为目录写操作就是创建文件。可以用touch
char dname[256];表明文件名最大是255
用来做重定向，本质就是复制文件描述符：
dup 和 dup2：
int dup(int oldfd); 文件描述符复制。
oldfd: 已有文件描述符
返回：新文件描述符，这个描述符和oldfd指向相同内容。
int dup2(int oldfd, int newfd); 文件描述符复制，oldfd拷贝给newfd。返回newfd下一个部分就是进程知识了！！！！！！！！！！！