【Linux学习】基础IO

目录

八.系统文件IO

        8.1 前言

        8.2 C语言文件IO

C语言常用的基本函数

C语言默认打开的的三个流

        8.3 系统文件IO

open接口

close接口

write接口

read接口

        8.4 C语言文件IO与系统文件IO的关系

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八.系统文件IO

        8.1 前言

系统文件 I/O（输入/输出）是指在计算机系统中，通过操作系统提供的接口和函数，实现应用程序与文件系统之间的数据交互操作.这种交互涉及到从外部存储设备（通常是硬盘）读取数据到内存中，或将内存中的数据写入到外部存储设备中.

这里我们结合最初的知识从整体上认识系统文件IO

【Linux学习】初识进程 | 进程概念-CSDN博客

 顾名思义,这次我们讲到的系统文件IO正是处于操作系统层面的工作.

        8.2 C语言文件IO

C语言常用的基本函数

在学习C语言时我们便已经接触过许多语言层面上的IO函数

1.open： 打开文件

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
filename：文件路径
mode：打开文件的模式，例如 "r"（读取）、"w"（写入）、"a"（追加）等

2.fclose： 关闭文件

int fclose(FILE *stream);
stream：指向 FILE 结构的指针，表示要关闭的文件

3.fprintf： 向文件写入格式化数据

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
stream：指向 FILE 结构的指针，表示要写入的文件
format：格式化字符串，类似于 printf 中的格式化字符串

4.fscanf： 从文件读取格式化数据

int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
stream：指向 FILE 结构的指针，表示要读取的文件
format：格式化字符串，指定了要读取的数据的格式

5.fputc： 写入一个字符到文件

int fputc(int character, FILE *stream);
character：要写入的字符
stream：指向 FILE 结构的指针，表示要写入的文件

6.fgetc： 从文件读取一个字符

int fgetc(FILE *stream);
stream：指向 FILE 结构的指针，表示要读取的文件

7.fwrite： 向文件写入一块数据

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream);
ptr：指向要写入的数据的指针
size：每个数据项的大小（以字节为单位）
count：要写入的数据项的数量
stream：指向 FILE 结构的指针，表示要写入的文件

8.fread： 从文件读取一块数据

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream);
ptr：指向存储读取数据的缓冲区的指针
size：每个数据项的大小（以字节为单位）
count：要读取的数据项的数量。
stream：指向 FILE 结构的指针，表示要读取的文件

9.feof： 检查文件结束标志

int feof(FILE *stream);
stream：指向 FILE 结构的指针，表示要检查的文件

10.rewind： 将文件位置指针重置到文件开头

void rewind(FILE *stream);
stream：指向 FILE 结构的指针，表示要重置的文件

这些函数是 C 语言中进行文件 I/O 操作的基本函数,通过它们，你可以打开、读取、写入和关闭文件，实现对文件的各种操作

C语言默认打开的的三个流

在 C 语言中，有三个默认打开的标准 I/O 流，它们是：

1. 标准输入流 (stdin)：

   • 文件描述符：0
   • 默认与键盘关联，用于从用户获取输入

2. 标准输出流 (stdout)：

   • 文件描述符：1
   • 默认与屏幕关联，用于向用户输出数据

3. 标准错误流 (stderr)：

   • 文件描述符：2
   • 默认与屏幕关联，用于输出错误消息

这里我们可以在Linux下使用man手册查找

这里我们可以发现三个流的数据类型都是FILE*类型.同时也体现出了Linux系统一切皆文件的设计哲学.

既然是当作文件,那么我们就用上面提到的C语言提供的 fprintf函数来进行测试

#include 
int main() { 
    // 使用标准输入输出消息
    fprintf(stdin, "This is an in  message.\n");
    // 使用标准输出输出消息
    fprintf(stdout, "This is an out message.\n");
    // 使用标准错误输出消息
    fprintf(stderr, "This is an error message.\n");
    return 0;
}

 这里我们成功通过 fprintf()  向显示器输出了两条信息,进一步验证了stderr与stdout默认与显示器相关 而stdin默认与键盘相关.

        8.3 系统文件IO

open接口

用于打开或创建文件的系统调用，通常用于在程序中获取文件描述符，以便后续进行文件 I/O 操作

这里通过man手册查看其函数原型

参数:

1.pathname: 要打开或创建的目标文件

• 若pathname以路径的方式给出，则需要创建该文件时，在pathname路径下进行创建
• 若pathname以文件名的方式给出，则需要创建该文件时，默认在当前路径下进行创建

2.flags: 表示打开文件的标志

• 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：如果文件存在，截断文件为零长度

打开文件时，可以传入多个参数选项，当有多个选项传入时，将这些选项用“或”运算符隔开
例如，若想以只写的方式打开文件，但当目标文件不存在时自动创建文件，则参数设置如下：

O_WRONLY | O_CREAT

这里主要是用到了位图的思想

传入的flags类型为整数,也就是有32个bit位

而每个bit位的状态只会是0或1,这时我们可以使用一个bit位来对应一种参数是否传入,也就是定义为如果某一bit位为1,则对应参数被传入

实际上传入flags的每一个选项在系统当中都是以宏的方式进行定义的：

这里这些宏的值是八进制数，在文件访问标志中，通常使用八进制数表示.

这些宏定义选项的共同点就是，它们的二进制序列当中有且只有一个比特位是1(O_RDONLY选项的二进制序列为全0，表示O_RDONLY选项为默认选项)，且为1的比特位是各不相同的，这样一来，在open函数内部就可以通过使用“与”运算来判断是否设置了某一选项。

int open(arg1, arg2, arg3){
	if (arg2&O_RDONLY){
		//设置了O_RDONLY选项
	}
	if (arg2&O_WRONLY){
		//设置了O_WRONLY选项
	}
	if (arg2&O_RDWR){
		//设置了O_RDWR选项
	}
	if (arg2&O_CREAT){
		//设置了O_CREAT选项
	}
	//...
}

3.mode: 表示创建文件的默认权限 

返回值:

• 成功：新打开的文件描述符(相关概念会在后面讲到)
• 失败：-1

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close接口

用于关闭一个打开的文件描述符,这个函数通常用于释放程序中不再需要的文件资源

参数:

•  fd:要关闭的文件描述符 

返回值：

• 如果成功，返回 0。
• 如果发生错误，返回 -1

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write接口

用于向文件描述符（通常是文件）写入数据

参数:

• fd：文件描述符，表示要写入的源文件或设备
• buf：指向要写入数据的缓冲区的指针
• count：要写入的字节数

返回值：

• 如果写入成功，返回 写入的字节数
• 如果发生错误，返回 -1

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read接口

用于从文件描述符（通常是文件）读取数据

参数: 

• fd：文件描述符，表示要读取的源文件或设备
• buf：指向存储读取数据的缓冲区的指针
• count：要读取的字节数

返回值：

• 返回值为读取的字节数
• 如果已到达文件尾（EOF），则返回 0 表示没有更多数据可读
• 如果出现错误，返回值为 -1

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        8.4 C语言文件IO与系统文件IO的关系

在 C 语言中，文件 I/O（Input/Output）操作通常是通过标准库提供的函数来进行的，主要包括对文件的读取和写入。这些函数包括 fopen、fclose、fread、fwrite、fseek 等

与此不同，系统文件 I/O 操作是通过操作系统提供的系统调用来执行的。在 UNIX/Linux 等系统中，常见的系统调用包括 open、read、write、close 等。这些系统调用直接与操作系统内核进行交互，提供了更底层的文件操作能力

C 语言标准库的文件 I/O 函数实际上是建立在系统文件 I/O 操作的基础上的。例如，fopen 函数在底层可能会使用 open 系统调用来打开文件，fwrite 可能会使用 write 系统调用来写入数据

C 语言标准库的文件 I/O 函数提供了一层抽象，使得文件操作更加方便和可移植。通过使用标准库，程序员可以更容易地编写跨平台的代码，而不必过多考虑底层的系统差异。此外，标准库函数通常提供了更多的错误处理和缓冲机制，以提高性能

总的来说，C 语言标准库的文件 I/O 函数是建立在系统文件 I/O 操作之上的高级接口，提供了更便捷、抽象的文件操作方式，同时隐藏了底层系统调用的复杂性。在许多情况下，使用标准库函数足以满足文件操作的需求，但在某些特殊情况下，直接使用系统调用可能更为灵活和高效