【Linux】基础IO —— 上

创始人

2024-04-03 16:33:25

🎇Linux：基础IO详解

博客主页：一起去看日落吗
分享博主的在Linux中学习到的知识和遇到的问题
博主的能力有限，出现错误希望大家不吝赐教
分享给大家一句我很喜欢的话： 看似不起波澜的日复一日，一定会在某一天让你看见坚持的意义，祝我们都能在鸡零狗碎里找到闪闪的快乐🌿🌞🐾。

✨ ⭐️ 🌟 💫

💫 1. 简单复习文件操作
- 🌟 1.1 写文件
- 🌟 1.2 读文件
- 🌟 1.3 追加文件
- 🌟 1.4 一切皆文件
💫 2. 系统文件I/O
- 🌟2.1 open
- 🌟2.2 close
- 🌟2.3 read
- 🌟2.4 write
- 🌟2.5 测试用例
💫 3. 文件描述符fd
- 🌟 3.1 文件描述符的分配规则
💫 4. 重定向原理
基础IO上总结

💫 1. 简单复习文件操作

🌟 1.1 写文件

如果以"w"模式打开文件，默认是文本读写，且会把原始内容清掉再写。

#includeint main()
{FILE* fp = fopen("./log.txt", "w");//以写的方式打开当前目录下的log.txt文件,没有就新建文件,如果目标文件存在,w写时会清空目标文件	//FILE* fp = fopen("log.txt", "w");//没有./,它默认是在当前路径下新建文件if(fp == NULL){perror("fopen");return 1;}int count = 0;while(count < 10){fputs("hello byih\n", fp);//往log.txt文件中写数据count++;                      }fclose(fp);//关闭文件return 0;
}

FILE* fp = fopen(“log.txt”, “w”);

虽然没有 ./ 指定路径，但是它还是在当前路径下新建文件了，因为每个进程都有一个内置的属性 cwd(可以在 /proc 目录下查找对应进程的属性信息)，cwd 可以让进程知道自己当前所处的路径，这也解释了在 VS 中不指明路径，它也能新建对应的文件在对应的路径，换言之，进程在哪个路径运行，文件的新建就哪个路径。

在这里插入图片描述

🌟 1.2 读文件

fgets从特定文件流中按行读取，内容放在缓冲区。读取成功返回字符串起始地址，读失败返回NULL.

#includeint main()
{FILE* fp = fopen("./log.txt", "r");//以读的方式打开当前目录下的log.txt文件,没有就报错if(fp == NULL){perror("fopen");return 1;}int count = 0;char buffer[128];while(count < 10){fgets(buffer, 128, fp);//从log.txt文件中读128个字符到buffer,\n会使fgets停止读取printf("%s\n", buffer);count++;}fclose(fp);//关闭文件return 0;
}

🌟 1.3 追加文件

#include
#includeint main()
{FILE* fp = fopen("./log.txt", "a");//以追加的打开当前目录下的log.txt文件,没有就新建,如果目标文件存在,a写时不会清空目标文件,在文件内容最后写入if(fp == NULL){perror("fopen");return 1;}const char* msg = "Hello DanceBit\n";//fwrite(msg, strlen(msg) + 1, 1, fp);//乱码fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp);                                                                               fclose(fp);return 0;
}

size_t fwrite ( const void* ptr, size_t size, size_t count, FILE* stream );

size 表示你要写入的基本单元是多大(以字节为单位)，count 表示你要写入几个这样的基本单元。

fwrite(msg, strlen(msg) + 1, 1, fp);

strlen(msg) + 1 -> 乱码，也就是把 \0 也追加会造成，因为 \0 是 C 的规定，和文件无关。这里 cat log.txt 并没有看到乱码的原因是 \0 是不可见的，所以这里 vim log.txt 才可以看到乱码。

🌟 1.4 一切皆文件

C语言默认会打开三个输入输出流：stdin、stdout、stderr，它们的类型都是FILE*，C语言把它们当做文件看待；站在系统角度，stdin对应的硬件设备是键盘、stdout对应显示器、stderr对应显示器，本质上我们最终都是访问硬件。C++中也有cin、cout、cerr，几乎所有语言都提供标准输入、标准输出、标准错误。

请添加图片描述
默认情况下，标准输入是键盘文件，标准输出是显示器文件，标准错误是显示器文件。而这三个本身是硬件，如何理解 Linux 中，一切皆文件？

所有的外设硬件，本质对应的核心操作无外乎是 read 或 write。对于键盘文件，它的读方法就是从键盘读取数据到内存，对于显示器文件，如调用 printf 函数时，操作系统是要往显示器上写入的，其实你输入的命令是你通过键盘输入的，所以系统应该是往键盘读数据。至于用户能看到输入的命令，仅仅是为了方便用户，操作系统把从键盘输入的数据，一方面给了系统读取，一方面给显示器方便用户。所以不同的硬件，对应的读写方式肯定是不一样的，但是它们都有 read 和 write 方法，换言之，这里的硬件可以统一看作一种特殊的文件。比如这里设计一种结构叫做 struct file，它包括文件的属性、文件的操作或方法等。

Linux下的六字真言：先描述，在组织

组织就是要把每一个硬件对应的结构体关联起来，并用 file header 指向。所以在操作系统的角度，它看到的就是一切皆文件，也就是说所有硬件的差异，经过描述，就变成了同一种东西，只不过当具体访问某种设备时，使用函数指针执行不同的方法，就达到了不同的行为。

#include
#includeint main()
{const char* msg = "Hello DanceBit\n";fwrite(msg, strlen(msg), 1, stdout);char buffer[64];fread(buffer, 1, 10, stdin);//你输入时没有写\0,fread时也不会加,所以一旦超过10,就会出现乱码buffer[10] = '\0';printf("%s\n", buffer);return 0;
}

这里可以直接使用 fwrite 这样的接口，向显示器写数据的原因是因为 C 程序一运行，stdout 就默认打开了。同理 fread 能从键盘读数据的原因是 C 程序一运行，stdin 就默认打开了。

也就是说 C 接口除了对普通文件进行读写之外(需要打开)，还可以对 stdin、stdout、stderr 进行读写(不需要打开)。

scanf -> 键盘、printf -> 显示器、perror -> 显示器

💫 2. 系统文件I/O

如上我们知道，这些文件操作最终都是访问硬件(显示器、键盘、文件(磁盘))。众所周知，OS是硬件的管理者。所有语言上对“文件”的操作，都必须贯穿操作系统。然而OS不相信任何人，访问操作系统，就必须要通过系统接口！！

其实我们学过的几乎所有的语言中，fopen/fclose，fread/fwrite，fputs/fgets，fgets/fputs 等底层一定需要使用OS提供的系统调用接口，下面咱们就来学习文件的系统调用接口

在这里插入图片描述

🌟2.1 open

#include
#include
#include
#include
#include
#includeint main()
{int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);//打开if(fd < 0){perror("open");return 1;}//操作const char* byh = "Hello System Call!\n";write(fd, byh, strlen(byh));write(fd, byh, strlen(byh));write(fd, byh, strlen(byh));write(fd, byh, strlen(byh));close(fd);//关闭 return 0;
}

使用 open 需要包含三个头文件，它有两个版本。版本一：以 flags 方式打开 pathname；版本二：以 flags 方式打开 pathname，并设置 mode 权限。
请添加图片描述

pathname: 要打开或创建的目标文件文件名
flags:    打开方式。传递多个标志位，下面的一个或者多个常量进行“或”运算，构成flags.O_RDONLY: 只读打开O_WRONLY: 只写打开O_RDWR  : 读写打开以上这三个常量，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。同时需要使用mode选项，来指明新文件的访问权限O_APPEND: 追加写
mode: 	  设置默认权限信息

flags 可以是 O_RDONLY(read-only)、O_WRONLY(write-only)、O_RDWR(read/write)，且必须包含以上访问模式之一。此外访问模式还可以带上 |标志位，下面会介绍一两个标志位，实际还要看场景使用。

以写的方式打开一个存在的文件，它同 fopen 一样，如果没有写操作，原文件的内容不会被覆盖；如果写操作，原文件的内容会被覆盖成写的内容。

以写的方式打开不存在的文件，权限是 644，运行程序发现没有新建文件。

O_CREATE 发现文件不存在，将会新建文件，且必须指定 mode 权限(如果没有指定，那么新建的文件会变成可执行程序)，如果没有 O_CREATE，说明文件是存在的，则可忽略 mode 权限(就算写了权限也不会对原来的文件更改权限)。

🌟2.2 close

请添加图片描述
使用 close 关闭文件，需要包含 unistd 头文件。fd 是 open 的返回值。

🌟2.3 read

要使用 read 读文件，需要包含 unistd 头文件。read 从 fd 文件描述符中读数据到 buf，读 count 个字节，返回值是实际读到的数据。

请添加图片描述

#include
#include
#include
#include
#includeint main()
{int fd = open("log.txt", O_RDONLY);//打开if(fd < 0){perror("open");return 1;}//操作char buffer[1024];ssize_t sz = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);//期望读1023个,但实际可能只有100个,是从文件读,文件并不遵守字符串\0的规则,所以要主动\0if(sz > 0){buffer[sz] = '\0';//利用read的返回值,实际读到的个数就是该被\0的位置printf("%s\n", buffer);}                                                       close(fd);//关闭 return 0;
}

🌟2.4 write

使用 write 写入文件，需要包含 unistd 头文件。write 向 fd 文件描述符中写入 buf，写 count 个字节，返回值是写了多少个

请添加图片描述

🌟2.5 测试用例

#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#includeint main()
{int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_APPEND);//打开if(fd < 0){perror("open");return 1;}//操作const char* byh = "Hello System Call!\n";write(fd, byh, strlen(byh));write(fd, byh, strlen(byh));                    close(fd);//关闭                                  return 0;                                         
}

请添加图片描述

💫 3. 文件描述符fd

#include  
#include  
#include  
#include  int main()  
{  int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);int fd3 = open("log3.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);int fd4 = open("log4.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);int fd5 = open("log5.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);printf("fd1: %d\n", fd1);                                   printf("fd2: %d\n", fd2);  printf("fd3: %d\n", fd3);  printf("fd4: %d\n", fd4);  printf("fd5: %d\n", fd5);  return 0;  
}

请添加图片描述
我们说过返回小于 0 的数，则代表 open 失败，显示这里 open 都成功了。但是这里为什么不从 0 开始依次返回？—— 上面我们说过 C 程序运行起来，默认会打开三个文件(stdin、stdout、stderr)，所以 0, 1, 2 分别与之对应。

Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2.

0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器
在这里插入图片描述

而现在知道，文件描述符就是从0开始的小整数。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

🌟 3.1 文件描述符的分配规则

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{//close(0);close(2);int fd = open("myfile", O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);close(fd);return 0;
}

请添加图片描述

每次给新文件分配的fd，是从fd_array[]中找一个最小的、未被使用的作为新的fd.

这其实很好理解，打开的文件要和进程产生关联，就要线性遍历数组中找一个未被使用的下标，填入文件地址。

💫 4. 重定向原理

#include
#include
#include
#include
#includeint main()
{//close(0);close(1);int fd1 = open("log3.txt", O_CREAT|O_WRONLY, 0644);int fd2 = open("log4.txt", O_CREAT|O_WRONLY, 0644);printf("hello byh!: %d\n", fd1);printf("hello byh!: %d\n", fd2);fflush(stdout);close(fd1);close(fd2);return 0;
}

请添加图片描述
要想看到数据也很简单，在 close 之前 fflush 强制刷新即可，但这里要注意 fd1 和 fd2 对应 1 和 3，它们都是磁盘文件，printf 时，因为缓冲区没满，所以都在语言层的缓冲区，但是 fflush 之后，就会一次性的把两次数据都往 fd1 指向的文件中刷新。本来 printf 应该往显示器上输出，但 close 1，open 新文件，导致 1 的指向由显示器转换为磁盘，导致最终往文件里输出，本质重定向改变的是底层文件描述符下标指针的内容，上层是不知道的，这种技术叫做输出重定向。