【Linux】基础IO

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C++专栏：Linux内功修炼
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一、文件的概念

1、空文件，在磁盘中也会占据空间，因为文件=内容+属性，Linux的文件内容和文件属性是分开存储的；

2、文件路径+文件名具有唯一性，如果没有指明文件路径，默认在当前路径下进行文件访问；

3、文件操作的本质是进程和被打开文件的关系。

二、C语言文件操作回顾

1、什么是当前文件路径

根据我们前面的学习，当fopen以写入的方式打开一个文件时，若文件不存在，则会自动在当前路径创建该文件，那么这里的当前路径是什么呢？以下面的代码为测试用例：

#include
#include
int main()
{
	FILE* fp = fopen("log.txt", "w");//写入
	if (fp == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	printf("mypid: %d\n", getpid());
	const char* msg = "hello world";
	int cnt = 1;
	while (cnt < 20)
	{
		fprintf(fp, "%s: %d\n", msg, cnt++);
	}
	fclose(fp);
	return 0;
}

此段代码我fopen写入的方式打开了log.txt文件，那么我在myfile目录下运行可执行程序myfile，那么该可执行程序创建的log.txt文件会出现在myfile目录下，此外上述代码还获取到了当前进程的pid，并且让此进程一直循环下去，方便后续操作。

根据我们获取到的当前进程的pid，再根据我们先前学到的知识，根据该pid在根目录下的proc目录下查看此进程的信息如下：

下面来解释下cwd和exe：

cwd表示当前进程所处的工作路径。
exe表示进程对应的可执行程序的磁盘文件。
上面的运行结果也正如我们所料：log.txt创建在了与当前可执行程序路径所在的位置，也是当前进程所处的工作路径，那是否就意味着这里说的“当前路径”是指“当前可执行程序所处的路径”呢？还是说“当前路径”是指“当前进程所处的路径”呢？

这里我们把刚才生成的log.txt文件删除掉，对代码进行如下的修改，利用上次学到的chdir函数来更改此进程的工作路径：chdir("/home/xzy")

make clean;make后再次运行myfile程序，结果如下：

此时现象已经很明显了，我运行了myfile可执行程序，但是并没有在当前可执行程序myfile所处在的date17目录下看到我想要的log.txt文件，相反我却在/home/xzy路径下看到了log.txt文件，这就足以证明我利用chdir更改进程所处的路径后，生产的文件也随之改，这足矣证明此当前路径即为当前进程所处的路径，为了更具有说服力，我们依旧是利用proc查看当前进程9752的相关信息

综上，当前路径就是当前进程所处的路径！！！

2、C语言文件接口汇总

打开方式如下

三、使用系统调用接口进行文件IO

操作文件除了C语言接口、C++接口或是其他语言的接口外，操作系统也有一套系统接口来进行文件的访问。相比于C库函数或其他语言的库函数而言，系统调用接口更贴近底层，实际上这些语言的库函数都是对系统接口进行了封装。

1、open

下面基于系统接口来实现对文件的操作，C语言中我们要打开文件用的是fopen，但是系统接口中我们使用open函数打开文件。其函数原型如下：

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

open的第一个参数

• 若pathname以路径的方式给出，则当需要创建该文件时，就在pathname路径下进行创建。
• 若pathname以文件名的方式给出，则当需要创建该文件时，默认在当前路径下进行创建。（注意当前路径的含义）

open的第二个参数

第二个参数flags表示打开文件要传递的选项（打开文件的方式），其常用选项有如下几个：

2、open的使用

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{
    //umask(0);//将子进程的umask置0，后续创建的文件权限即为666
    //当文件不存在时，open的可写并不会创建log.txt，需要按位或上O_CREAT，加上创建文件功能，最后一个参数是文件创建时的权限
    int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT,0666);//最终权限=666&~umask
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    close(fd);//使用系统调用close关闭文件指针
    return 0;
}

1、当文件不存在时，使用int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

如果目标文件不存在，open并不会像fopen那样帮助使用者创建对应文件，需要按位或O_CREAT，加上创建文件功能。第三个参数是创建文件的默认权限，如果不写，系统创建的文件会是乱码。

2、当文件存在时，使用int open(const char *pathname, int flags);

3、系统调用write

3.1、接口相关参数介绍

#include 
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
 //返回值：写入个数  目标写入文件  缓冲区数据位置   预期输入的最大个数

3.2、write的使用

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{
    //"w"==O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666清空式写入
    int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
 
    //"a"==O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666追加
    //int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    char outBuff[60];
    int cnt=5;
    while(cnt)
    {
        sprintf(outBuff,"%s:%d\n","sqy",cnt--);
        write(fd,outBuff,strlen(outBuff));//将字符写入文件不用让strlen+1写入\n，除非就像在文件中写入\n
    }
    close(fd);
    return 0;
}

• 将字符写入文件中可以不用写入\n。

• write再次对有文本内容的文件进行写入时，并不会和C语言文件操作中的"w"选项一样，先清空文本内容，而是直接覆盖，使用时可以加上O_TRUNC对文本先进行清空操作。

• 使用O_APPEND增加追加操作。

4、read

4.1、read的相关参数介绍

#include 
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
//返回值：读取成功字节数       读取至缓冲区   要求读取字节

4.2、read的使用

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{
    int fd=open(FILE_NAME,O_RDONLY | O_CREAT,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    char buffer[100];
    ssize_t num=read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);//留一个位置放\0
    if(num>0)
    {
        buffer[num]='\0';//把\0补回去
    }
    printf("%s\n",buffer);
    close(fd);
    return 0;
}

四、文件描述符fd

1、文件描述符

1.1、进程如何找到自己打开的文件

一个进程可以打开多个文件，操作系统为了管理这些打开的文件，需要为每个被打开的文件创建对应的内核数据结构标识文件（struct file{}），这个结构体中包含文件的大部分属性。

那么操作系统中被打开的文件这么多，进程是如何区分哪些文件是属于我的，哪些文件时非我的？那是因为进程的task_struct结构体中包含struct files_struct* files的结构体指针，这个指针指向struct files_struct这个结构体,这个结构体中存在一个叫做struct file* fd_array[]的结构体指针数组，数组中每个结构体指针指向对应被打开文件的struct file{}。

1.2、文件描述符为什么从3开始

当我们在一个进程中用open打开多个文件时，通过打印fd的值，发现文件描述符fd从3开始分配。那0、1、2这三个文件描述符分配给谁了呢？

printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);
printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);
printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);

0、1、2默
认被这三个流占用，所以我们打开的文件的文件描述符fd从3开始。

1.3、文件描述符fd和FILE的区别

FILE* fp=fopen(FILE_NAME,"w");
int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);

系统调用访问文件必须使用文件描述符。而C语言中的FILE是一个结构体，这个结构体中包含了文件描述符。

2、文件描述符的分配规则

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    close(1);//关闭1
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//新文件fd为1
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("%d\n",fd);//printf->stdout
	fprintf(stdout,"%d\n",fd);//printf->stdout
	fflush(stdout);//刷新缓冲区内容至文件log.txt中
    close(fd);
    return 0;
}

1、如果手动把文件描述符数组下标为1的fd关闭，那么后续用open打开一个新的文件，将会占用这个下标为1的位置。文件描述符的分配规则为：从小到大，按照顺序寻找最小的且没有被占用的fd位置。

2、fd为1的位置代表标准输出流，1被关闭，新文件被打开将会占用1。如果后续想要执行打印操作，文件内容将会被打印至这个新文件中。这是一种输出重定向。

五、重定向

1、重定向原理

//>输出重定向
//>>追加
//<输入重定向

重定向的本质：oldfd不变，在内核中更改newfd下标对应的struct file*的指针。

文件描述符的本质是数组下标，当系统运行时，默认已加载3个文件描述符，分别是标准输入（键盘）、标准输出（显示器）、标准错误（显示器），他们占据了数组0,1,2三个位置。

可以用close(1)手动关闭标准输出，再重新打开一个文件，这个新文件会占据数组为1的位置（标准输出）。如果后续使用printf或fprintf函数进行输出，数据将会输出重定向至这个新文件（因为这个新文件占据了标准输出）。

不过一般不会用手动关闭这三个文件描述符来达到重定向的效果，可以使用int dup2(int oldfd, int newfd);将文件拷贝至前三个文件描述符中，达到重定向的目的。

2、dup2

2.1、dup2相关参数介绍

#include 
int dup2(int oldfd, int newfd);//将oldfd拷贝到newfd中
//返回值
//成功返回fd，失败返回-1

如果要输出重定向到fd对应的文件中，那么oldfd就是fd，newfd就是1。

函数功能为将oldfd描述符重定向到newfd描述符，相当于重定向完毕后都是操作oldfd所操作的文件 但是在过程中如果newfd本身已经有对应打开的文件信息，则会先关闭文件后再重定向（否则会资源泄露）

2.2、输出重定向

使用dup2对上方输出重定向代码写法进行更改。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    dup2(fd,1);//输出重定向到fd对应的文件
    printf("%d\n",fd);//printf->stdout，在fd对应的文件中打印
	fprintf(stdout,"%d\n",fd);//printf->stdout，在fd对应的文件中打印
    close(fd);//因为已经进行重定向，所以需要关闭fd，否则会白白浪费一个fd
    return 0;
}

在fd对应的文件中进行printf和fprintf打印。

2.3、追加重定向

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    dup2(fd,1);//输出重定向到显示器
    printf("%d\n",fd);//printf->stdout
	fprintf(stdout,"%d\n",fd);//printf->stdout
    const char* str="sqy";
    write(1,str,strlen(str));//将更多内容写入1中
    close(fd);
    return 0;
}

在fd对应的文件中进行printf和fprintf打印并进行write追加写入。

2.4、输入重定向

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_RDONLY);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    dup2(fd,0);//输入重定向，将fd的内容拷贝至0
    char line[60];
    while(1)
    {
        if(fgets(line,sizeof(line),stdin)==NULL)//因为上方输入重定向了，所以这里stdin中会获取log.txt的内容
        {
            break;
        }
        printf("%s",line);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

六、linux下一切皆文件

• 在计算机里有各种硬件（键盘、显示器、磁盘、网卡……），这些设备统一称为外设（IO设备），以磁盘为例，它们都一定有对应自己的一套读写方法，不同的设备对应的读写方法一定是不一样的，如果现在要打开磁盘，那么OS就在内核给你创建一套structfile，用readp指针指向read方法，writep指针指向write方法，打开显示器等其它外设也是类似的，这一操作就是OS内的文件系统做的软件封装，再往上就是一个进程里的指针指向一结构体，该结构体内部有一个指针数组，下标就是文件描述符，其内部存放struct file*的指针，从而指向各个设备的读或写的方法。

• Listitem上述整个过程就是“Linux下一切皆文件”，也就是说未来你想打开一个文件，把读写方法和属性记下来，在内核里给你这个硬件创建对应的structfile，初始化时把对应的函数指针指向你具体的设备，但在内核中存在的永远都是structfile，用链表结构关联起来，所以一个进程都以统一的视角看待文件，所以我们访问不同的file指向的谁完全取决于其底层的读写方法。有点多态的感觉了。我们把上述的设计出的structfile来表示一个一个文件的叫做VFS虚拟文件系统。