【Linux】从C语言文件操作 到Linux文件IO 文件系统调用

[!abstract] Linux文件相关重点

• 复习C文件IO相关操作
• 认识文件相关系统调用接口
• 认识文件描述符，理解重定向
• 对比fd和FILE，理解系统调用和库函数的关系
• 理解文件系统中inode的概念
• 认识软硬链接，对比区别
• 认识动态静态库，学会结合gcc选项，制作动静态库

前言

1. 文件 = 内容 + 属性

2. 所以对文件的所有操作被分为：
   a. 对内容操作
   b. 对属性操作

3. 我们要访问一个文件的时候，都是要先把这个文件打开的：
   打开前：是普通的磁盘文件
   打开后：文件被加载到内存中
   打开的步骤是由操作系统来做的！

4. 一个进程可以打开很多文件，所以操作系统运行时被打开的文件是很多的，操作系统当然要对这些被打开的文件做管理，管理的方式是：先描述，再组织。因此，一个文件要被打开，一定要先在内核中，形成被打开的文件对象。

5. 本文研究的文件操作的本质是：进程 和 内存中被打开（被加载）的文件 的关系

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一、C语言文件I/O复习

文件操作：打开和关闭

函数签名	描述
FILE fopen(const char path, const char* mode)	打开文件并返回指向文件的指针
int fclose(FILE *stream)	关闭文件

模式	描述
“r”	读取：打开文件进行输入操作。文件必须存在。
“w”	写入：创建一个空文件进行输出操作。如果同名文件已存在，其内容将被丢弃，文件被视为新的空文件。
“a”	追加：打开文件进行输出操作，将数据追加到文件末尾。输出操作总是在文件末尾写入数据，扩展文件大小。重新定位操作（fseek、fsetpos、rewind）将被忽略。如果文件不存在，则创建文件。
“r+”	读取/更新：打开文件进行更新操作（既可读又可写）。文件必须存在。
“w+”	写入/更新：创建一个空文件并打开它进行更新操作（既可读又可写）。如果同名文件已存在，其内容将被丢弃，文件被视为新的空文件。
“a+”	追加/更新：打开文件进行更新操作（既可读又可写），所有输出操作都在文件末尾写入数据。重新定位操作（fseek、fsetpos、rewind）影响下一次的输入操作，但输出操作将位置移回文件末尾。如果文件不存在，则创建文件。

[!Attention] 不带+号的模式在文件打开时会对原文件进行擦除（覆盖）操作，具体来说：

• "w"模式： 如果使用 “w” 模式打开一个文件，它会创建一个空文件，如果同名文件已存在，则会清空该文件的内容。换句话说，打开文件时，如果文件已经存在，原文件的内容将被抹掉。
• "a"模式： 如果使用 “a” 模式打开一个文件，文件指针会移动到文件末尾，写入的数据将追加到文件的末尾。如果文件不存在，则会创建一个新文件。原文件的内容不会被清空，而是保留在文件中。

这是在不带+号的写入模式下的行为。要同时进行读写而不清空文件内容，可以考虑使用带+号的模式，如 “r+” 或 “a+”。

实验一下：

#include 

int main() 
{
    FILE *filePointer;
	
    // 打开文件
    filePointer = fopen("test.txt", "w");
    if (filePointer == NULL) {
        printf("文件打开失败。\n");
        return 1;
    }
	
    printf("文件打开成功，执行其他文件操作...\n");
	
    // 执行其他文件操作...
	
    // 关闭文件
    if (fclose(filePointer) == 0) {
        printf("文件关闭成功。\n");
    } else {
        printf("文件关闭失败。\n");
    }
	
    return 0;
}

文件操作：顺序读写

函数签名	描述
int fputc(int c, FILE *stream)	将一个字符写入文件
int fgetc(FILE *stream)	从文件中读取一个字符
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream)	从文件中读取一行内容，并存储到字符串 s 中
int fputs(const char *s, FILE *stream)	将字符串 s 写入文件
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream)	从文件中读取二进制数据
size_t fwrite(void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream)	向文件中写入二进制数据

#include 

int main() {
    FILE *filePointer;
    char ch;

    // 写入文件
    filePointer = fopen("test.txt", "w");
    if (filePointer == NULL) {
        printf("文件打开失败。\n");
        return 1;
    }

    fputc('A', filePointer);

    fclose(filePointer);

    // 读取文件
    filePointer = fopen("test.txt", "r");
    if (filePointer == NULL) {
        printf("文件打开失败。\n");
        return 1;
    }

    ch = fgetc(filePointer);
    printf("读取的字符：%c\n", ch);

    fclose(filePointer);

    return 0;
}

文件操作：随机读写

函数签名	描述
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence)	设置文件指针偏移量，用于定位读写位置
long ftell(FILE *stream)	返回当前文件指针的位置
void rewind(FILE *stream)	将文件指针重置到文件开头
int feof(FILE *stream)	检测是否到达文件末尾

#include 

int main() {
    FILE *filePointer;

    // 写入文件
    filePointer = fopen("test.txt", "w");
    if (filePointer == NULL) {
        printf("文件打开失败。\n");
        return 1;
    }

    fputs("Hello, World!", filePointer);

    fclose(filePointer);

    // 随机读取文件
    filePointer = fopen("test.txt", "r");
    if (filePointer == NULL) {
        printf("文件打开失败。\n");
        return 1;
    }

    fseek(filePointer, 7, SEEK_SET); // 移动到文件第8个字符的位置

    char ch = fgetc(filePointer);
    printf("随机读取的字符：%c\n", ch);

    fclose(filePointer);

    return 0;
}

stdin、stdout、stderr

• C默认打开的三个输入输出流是：stdin、stdout和stderr
• 仔细观察发现，这三个流的类型都是FILE*, fopen返回值类型，文件指针
• 这三个流通常在程序开始运行时就已经打开，并且不需要使用fopen等函数手动打开。它们分别用于标准输入、标准输出和标准错误输出。

1. stdin（标准输入流）：

   • stdin代表标准输入流，通常与键盘输入相关联。
   • 对应的文件指针是FILE* stdin。
   • 你可以使用scanf等函数从stdin中读取输入数据。

2. stdout（标准输出流）：

   • stdout代表标准输出流，通常与屏幕输出相关联。
   • 对应的文件指针是FILE* stdout。
   • 你可以使用printf等函数将输出写入到stdout中。

3. stderr（标准错误输出流）：

   • stderr代表标准错误输出流，通常也与屏幕输出相关联。
   • 对应的文件指针是FILE* stderr。
   • 与stdout相比，stderr通常用于输出错误消息，以便在程序发生错误时将错误信息与正常输出区分开。

这些标准流的使用使得C程序能够在不同环境中运行，而不用关心具体的输入和输出设备。在程序中，你可以直接使用这些流，而无需显式打开或关闭它们。例如，可以通过fprintf将输出写入到文件，而不仅仅是屏幕，或者通过fscanf从文件而不是键盘读取输入。

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二、承上启下

• 上面的fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数（libc）。
• 而， open close read write lseek 都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口
• 回忆一下我们讲【Linux】从冯诺依曼体系结构到操作系统 时，画的一张图！

系统调用接口和库函数的关系，就是库函数封装了系统调用接口。
所以可以认为，f#系列的函数，都是对系统调用的封装，方便二次开发。
如何封装？
fopen函数在上层为用户申请FILE结构体变量，并返回该结构体的地址(FILE*)，在底层通过系统接口open打开对应的文件，得到文件描述符fd，并把fd填充到FILE结构体当中的_fileno变量中，至此便完成了文件的打开操作。

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三、Linux系统的文件I/O

系统调用接口介绍

先介绍一个小技巧

关于Linux常用的传参方式：函数传入标志位的小技巧

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C语言常通过一个整形来传递选项，但是当选项较多时，每一个选项都用一个整形太浪费空间，所以有人想出了办法 – 使用一个比特位来传递一个选项，这样一个整形就可以传递32种选项，大大节省了空间，具体案例如下：

#include 

#define Print1 1      // 0001
#define Print2 (1<<1) // 0010
#define Print3 (1<<2) // 0100
#define Print4 (1<<3) // 1000

void Print(int flags)
{
   if(flags&Print1) printf("hello 1\n");
   if(flags&Print2) printf("hello 2\n");
   if(flags&Print3) printf("hello 3\n");
   if(flags&Print4) printf("hello 4\n");
}


int main()
{
   Print(Print1);
   Print(Print1|Print2);
   Print(Print1|Print2|Print3);
   Print(Print3|Print4);
   Print(Print4);
   return 0;
}

如上，我们将宏与比特位对应，然后在 Print 函数中编写每一个宏对应的功能，之后我们就可以在其他函数中通过调用 Func 函数并传递对应的选项来达到我们想要的效果，并且我们可以通过按位或来实现同时传递几个选项。

open()

• 系统调用open：用于打开或创建一个文件。open函数是一个系统调用，用于打开文件或创建新文件，返回值是一个文件描述符，后续的文件操作可以使用这个文件描述符。

• 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，用下面的一个或者多个常量进行“按位或”运算，构成flags。

• 常用的flags的可选参数：

  文件打开方式	含义	如果指定文件不存在
  O_RDONLY	以只读形式打开	出错
  O_WRONLY	以只写形式打开	出错
  O_RDWR	以读写形式打开	出错
  O_APPEND	向文本文件尾添加数据	出错
  O_CREAT	如果文件不存在，创建新文件	建立一个新的文件
  O_TRUNC	打开文件时清空文件中之前的数据	出错

close()

• 系统调用close：关闭一个文件

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read()

• read：从文件中读数据

• 返回值
  如果成功，则返回读取的字节数(0表示文件结束)，并将文件位置提前该字节数。如果这个数字小于请求的字节数，则不会报错;例如，发生这种情况可能是因为现在实际可用的字节数减少了(可能是因为接近文件末尾，或者因为我们正在从管道或终端读取数据)，或者因为read()被信号中断。发生错误时，返回-1，并适当地设置errno。在这种情况下，文件位置(如果有的话)是否改变是未指定的。

下面用read.c来测试read()系统调用：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define FILE_NAME "file1.txt"

int main() {
    int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY);
    if(fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buf[1024];
    //C语言字符串以'\0'结尾，所以留一个位置来放置
    int ret = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
    //read读到文件末尾返回0
    while(ret != 0) {
        buf[ret] = '\0';
        printf("%s", buf);
        ret = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
    }

    close(fd);
}

现象：

write()

• write：向文件中写数据

下面用write.c来测试write()系统调用：

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

#define FILE_NAME1 "file1.txt"  //已存在
#define FILE_NAME2 "file2.txt"  //不存在

int main() {
    //以只写形式打开，并清空文件中之前的数据
    int fd1 = open(FILE_NAME1, O_WRONLY | O_TRUNC); 

    //创建文件并以只写形式打开，并指定文件的默认权限为0666(还受umask的影响)
    //同时，我们可以通过umask接口手动设置当前进程的文件掩码，而不使用从父进程继承过来的umask
    umask(0000); 
    int fd2 = open(FILE_NAME2, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
	
	//错误处理
    if(fd1 == -1 || fd2 == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    const char* buf1 = "hello file1\n";
    const char* buf2 = "hello file2\n";

    int cnt = 5;
    while(cnt--) {
        //注意：这里strlen求得的长度不用加1，因为字符串以'\0'结尾只是C语言的特性，而文件中并不这样规定
        write(fd1, buf1, strlen(buf1));
        write(fd2, buf2, strlen(buf2));
    }

    close(fd1);
    close(fd2);
}

现象：

[!Attention] 上面的文件操作的三个细节：

1. 如果在向文件中写入数据时没有指定O_TRUNC选项，而是直接写入数据，新数据会从文件的当前位置开始写入，而不会影响文件中原有的数据。如果新数据的长度小于文件当前的大小，那么文件的尾部会保留原有的数据，就比如先写入五行 hello world，再写入五行 hello：

2. 创建 file2.txt 时我们通过 umask 系统调用将 umask 由默认的 0002 设置为了 0000(第一个0代表八进制)，然后将 open() 系统调用的最后一个参数 mode 设置为 0666，所以 file2 的最终权限为 文件的默认权限 & ~umask 即 0666 & ~0000 亦即 0666：

3. 在C语言中，字符串是以'\0'（空字符或Null字符）结尾的字符数组。但是，在文件中存储字符串时，并不要求在文件中以'\0'结尾。文件系统仅是按照写入的字节数来存储数据，而不关心字符串的结尾字符。因此，当你使用write函数将字符串写入文件时，不需要把字符串结尾的'\0'字符写入文件，只需写入字符串本身即可。
   如果在写入文件时将'\0'字符写入：
   

• 可能会导致一些乱码的问题：
  

• 所以说write函数的第三个参数 count 应该设置为 strlen(str)，表示写入字符串的长度，而不包括字符串结尾的'\0'字符。

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lseek()

lseek（“lseek"代表"long seek”）是Linux系统调用之一，用于在文件中移动文件指针的位置。它是对文件进行随机访问的关键系统调用之一。lseek可以用于设置文件偏移量，以便在文件中执行读取或写入操作。

函数原型如下：

• fd 是文件描述符，表示要操作的文件。
• offset 是文件偏移量，可以为正数、负数或零，用于指定相对于whence参数的偏移位置。
• whence 指定了偏移量的基准位置，可以是以下值之一：
  • SEEK_SET：相对于文件的起始位置进行偏移。
  • SEEK_CUR：相对于当前文件指针的位置进行偏移。
  • SEEK_END：相对于文件的末尾位置进行偏移。

lseek函数的返回值是新的文件偏移量，如果调用出现错误，则返回 -1。

使用示例：

#include 
#include 
#include 

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 使用 lseek 将文件指针移动到文件末尾
    off_t end_position = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    if (end_position == -1) {
        perror("lseek");
        close(fd);
        return 1;
    }

    printf("当前文件大小：%lld 字节\n", (long long)end_position);

    // 使用 lseek 将文件指针移动到文件开头
    off_t start_position = lseek(fd, 0, SEEK_SET);
    if (start_position == -1) {
        perror("lseek");
        close(fd);
        return 1;
    }

    printf("文件指针已重置到文件开头\n");

    close(fd);
    return 0;
}

在上述示例中，lseek函数用于将文件指针移动到文件的末尾，获取文件的大小，然后将文件指针重新设置到文件开头。这演示了lseek在文件中移动文件指针的基本用法。