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一、关于文件
1、文件类的系统接口
2、文件的含义
二、文件操作
1、C语言文件相关接口
2、系统接口
open
close
write
read
三、文件描述符
关于fd
fd的分配规则
输出重定向示例
输入重定向示例
追加重定向示例
dup2函数
缓冲区
stdout与stderr
perror
一、关于文件
1、文件类的系统接口
首先不同语言都有不同的文件操作接口，C语言、C++、java都有各自的文件接口，而这些文件接口的底层，其实是封装的系统接口
之所以各个语言不直接使用文件类的系统接口，是因为系统接口相比较各个语言封装出来的接口，难度较大，学习成本比较高，各种语言对系统接口做封装，是为了让接口更好的使用；
其次，也是为了跨平台这个特性，如果每种语言对系统接口不封装，直接调用系统接口，那么所有的文件操作都必须使用操作系统接口，无法在其他平台运行，是不具备跨平台特性的
2、文件的含义
说起文件，大部分人都想的是普通的磁盘文件，例如记事本打开的文本文件、.exe之类的文件
其实站在系统的角度，能够被input读取，output写出的设备都叫做文件，例如：键盘、显示器、磁盘、网卡、显卡等外设，都可以被称为文件
二、文件操作
1、C语言文件相关接口
我们先在Linux中写C语言中学习的文件接口：
以w的方式打开，如果文件不存在，会创建一个新文件，那么这个文件会创建在哪呢
很显然会创建在当前路径下，而当前路径指：一个进程运行起来的时候，每个进程都会记录自己当前所处的工作路径，而这个工作路径就是当前路径
上面的代码中，test.txt这个文件是不存在的，该路径下只有两个文件：
所以在编译运行file.c后，test.txt会在该路径下创建出来：
由于当前进程的工作路径在这里，所以创建出来的test.txt也就在这个路径下了
以w方式打开文件时，不论文件里面是否有内容，打开文件时做的第一件事就是清空文件内容，哪怕我们什么都不干，只是打开关闭文件，文件内容都会被清空，下面举个例子：
我们向文件test.txt中写入"hello"
查看test.txt内容：
这时改变file.c的内容，将fprintf的相关代码删除：
然后再编译运行myfile：
发现test.txt里面的内容没有了，大小为0
有了上面打开文件就会清空文件内容的基础，再看下面的例子：
先cat test.txt，发现文件里没有内容
接着echo输出重定向的方式向test.txt写了一个字符串hello，cat test.txt发现确实写入了
然后执行>test.txt后，再cat，发现又被清空了
这里的>符号，可以当做一个命令，表示要往文件里写入的，而向文件写入首先做的就是打开这个文件，上面也提到了，打开文件做的第一件事就是清空文件内容，所以我们就可以明白为什么执行完>test.txt后，test.txt中内容就被清空了
以上就是复习的C语言相关文件接口
2、系统接口
上面提到的C语言的库函数，底层一定会调用系统调用接口
系统调用接口有open、close、write、read
open
通过man了解一下open：
有三个头文件需要包含，然后看下面的两个open后面的参数
参数pathname：代表需要打开文件的路径 + 文件名
参数flags：表示选项（O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR必须包含这三个其中一个）
参数mode：表示权限（如果传入0666，就表示拥有者、所属组、other的权限都是rw-）
选项有很多，例如：O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（读写）、O_CREAT（文件不存在就创建）、O_TRUNC（打开文件时如果有原本内容就清空原始内容）
像上面的这些是O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR，其实就是宏定义，而open后面的参数只有一个flags，如何传递这么多的标记位，这里就和C++中的位图类似了，用比特位传递
关于open的返回值：
如果成功了，会返回一个文件描述符
如果失败了，就会返回-1
关于两个open的使用场景:
三个参数的open是用于文件不存在，第三个参数可以控制该文件的权限
两个参数的open是用于文件已经存在的场景
下面示范一下如何用比特位传递多个标记位：
定义了三个宏A、B、C，分别是0x1(0000 0001)、0x2(0000 0010)、0x4(0000 0100)
main函数中给test传递的参数A | B，就是0000 0001 | 0000 0010即传递上去的值为0000 0011
这时传递上去的0000 0011与A(0000 0001)，B(0000 0010)按位与都满足，所以会打印里面的语句
运行结果为：
满足传上去的参数要求
这里的例子就说明了，如果想传入多个标志位，则用 | (按位或)的方式就能做到，下面会用到这个结论
下面使用一下open：
首先第一个umask是一个函数，用于在当前进程重置umask值，以便于我们open中传递的第三个关于权限的参数受到系统中umask值的影响
open中的第二个参数，O_WRONLY | O_CREAT，O_WRONLY是以w的方式打开，O_CREAT是创建一个文件，如果文件不存在必须要加上O_CREAT选项，中间的|在上面的例子中说到过，传递多个标志位时用|连接
运行结果如下：
成功运行
close
通过man查看close
这里的close使用就很简单了，包含一个头文件unistd.h
关闭文件时，将刚刚返回的文件标识符传入即可
代码中添加close即可：
write
通过man查看write
包含一个头文件unistd.h
参数的含义就是：向一个fd里，写特定的buf，字符个数是count个
下面演示用法：
我们给了一个const char*类型的字符串，使用write接口
运行结果如下：
成功向文件中写入了I am write
但是这里会有一个问题，我们在C语言中，写入文件时，如果文件中有内容，再重写其他内容时会被覆盖，而在Linux中则会存在问题，如下：
将字符串str改为"111"，然后在运行，查看现在test.txt中的内容：
可以看到，并不是我们所想的111，而是111覆盖了刚刚内容的前三个字符的位置，反而test.txt中的内容变为了111m write
想解决这个问题，只需要加上选项O_TRUNC，即创建文件时如果有原始内容，则清空原始内容
如下所示：
此时再重新运行，打印test.txt中内容就变为我们想要的样子了：
这里也应证了我们最开始所说的文件类的系统接口学习成本比较高，难度比较大，所以各种语言会封装文件接口，使用起来更简单些
我们使用的 open("test.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666)
与C语言中的fopen("test.txt","w")的功能是一样的，更看出其中的难易
上面用的是w的功能，如果是a(追加)，只需将O_TRUNC换为O_APPEND即可：
这时多运行几次，结果为：
这时代码的open("test.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666)
与C语言的fopen("test.txt","a")功能相同
read
通过man查看read
同样包含一个头文件unistd.h
参数的含义就是：从特定的文件描述符fd读取数据，读到buf里面，读取的个数是count个
我们先向text.txt中写入数据：
接着使用read：
首先将open后面的参数变为O_RDONLY，只读，然后创建一个buf的字符数组，memset将buf中的数据全部置为'\0'，read读文件，最后打印出读取的内容：
最终读取成功
三、文件描述符
关于文件描述符fd，上面的代码中有打印过，接下来将代码做以改造，多打开几个文件，再观察文件描述符：
创建4个test.txt文件，观察每次返回的文件描述符fd：
可以看到test.txt1~4的文件描述符分别是3、4、5、6，那么为什么是从3开始的，0、1、2是对应的什么，其实在C语言中我们就学过了，0、1、2分别对应的是stdin(标准输入)、stdout(标准输出)、strerr(标准错误)，是被默认打开的
stdin、stdout、strerr他们的类型都是FILE*的
下面举例验证一下0、1、2这三个文件描述符：
我们C语言中使用的fprintf，如果要往显示器上写，第一个参数就是stdout
而系统接口write，第一个参数是fd，我们可以传入1，观察是不是往显示器上写入：
结果为：
可以发现，传入文件描述符1，也是往显示器上写入的，与stdout功能相同
下面示例文件描述符为0的stdin
系统接口read的第一个参数传入0，表示stdin
read的返回值是读入的个数，如果大于0，就说明读入成功了
结果为：
可以看到，也可以通过传入文件描述符0，实现stdin的功能
关于fd
fd的本质是指针数组的下标
在内核中，每一个进程都是可以打开多个文件的，也就是一对多的关系
而为了管理这些文件，操作系统需要构建一个file结构体，包含了被打开文件的几乎全部内容，如果被打开的文件很多，就用双链表组织起来
而我们刚刚说到的0、1、2，就是一个指针数组的下标，表示这个指针数组前三个位置存储的就是stdin、stdout、stderr的位置，Linux进程默认会打开这三个文件描述符，0、1、2对应的物理设备一般是：键盘、显示器、显示器
这里的指针数组中的每一个元素都是一个指向打开文件的指针
而我们上面所举例子中新创建了4个test.txt文件，他们返回的fd分别是3、4、5、6，也就代表着他们所在的位置就是这个指针数组的3、4、5、6下标，在数组中做哈希索引，索引之后就能找到被打开的文件对象
进程打开一个文件，操作系统会创建一个struct file对象，然后在该进程的指针数组中，分配一个没有被使用的数组空间，接着把新的文件地址填在这里面，然后返回对应的文件描述符下标给用户使用，所以fd在内核中，本质是一个指针数组的下标
fd的分配规则
fd的分配规则是：优先最小的，没有被占用的文件描述符
正常情况下，我们创建一个新文件，文件描述符是3，因为0、1、2是默认被打开的
结果为：
如果我们提前把文件描述符0关了(close)，那么新创建一个文件会被分配到哪个文件描述符：
这时结果为：
所以可以明白，文件描述符基本的分配规则就是：从头遍历，找最小的且没有被占用的文件描述符
输出重定向示例
那么如果close的是1呢，如图：
创建test.txt前，close(1)，观察现象：
我们运行myfile，没有任何内容，但是cat查看test.txt时却发现，本该打印在显示器上的内容出现在了test.txt中
这是因为，在我们创建test.txt前，关闭了文件描述符1，也就是系统默认打开的stdout，它所对应的指针数组下标为1的位置为空了，这时创建test.txt，按照fd的分配原则，将文件描述符1就分配给了test.txt
而我们所使用的printf、fprintf中，都是包含stdout的，所以执行时默认就是执行了stdout，而stdout本身默认的文件描述符就是1，刚刚分配文件描述符是底层做的，上层并不清楚，所以它们就照常往1里面写，但是写完后，通过进程找到指针数组，再通过指针数组的下标1找到所对应的文件，而这时1所对应的文件早已不是stdout，而是test.txt，因此我们printf的内容都在test.txt中可以看到
本来应该显示到显示器的内容，被写入到了文件中，这就是输出重定向
以上所说的就叫做重定向的原理！
重定向的本质：其实是在操作系统内部，更改fd对应的内容的指向
输入重定向示例
先正常使用fgets函数，观察正常打印的结果：
创建了一个test.txt文件，理应分配的文件描述符是3
并且下面的fgets第三个参数是stdin，是从键盘读取的
所以先打印fd：3，然后在键盘输入hello，显示器就打印了一个hello
上面是正常情况，下面演示输入重定向的情况，即close(0)时的情况：
首先我们将test.txt的内容更改为hello test
然后在open文件test.txt前，close(0):
这时根据fd的分配规则，显然test.txt的文件描述符就分配为了0
运行结果为：
可以看到，打印出fd：0，但是接下来本应该从键盘读取，却变为了直接读取文件test.txt的内容
原因也很简单，我们close(0)后，原本数组下标为0的的位置是指向stdin的，现在变为了指向文件test.txt，而上层并不知道底层做了这些改变，在执行fgets时依然是从文件描述符0中读取，而这时文件描述符已经变为了test.txt，所以执行时，根据文件描述符0指向的地址是test.txt的位置，并不是stdin的，所以不需要等待从键盘输入再打印，而是直接打印test.txt的内容
而上面所说的，本来应该从键盘中读取的内容，变为了从文件中读取，这就是输入重定向的定义！
追加重定向示例
这是上面所举例的输出重定向
追加重定向只需将open中的参数O_TRUNC(清空)改为O_APPEND(追加)即可
这时看结果：
第一次执行，打印了原有的内容hello test，且追加了fd：1
又对执行了两次，可以看到test.txt的内容也多了两行内容
这就是追加重定向
dup2函数
而我们如果想实现重定向，上面的方法可以是可以，但是比较麻烦，下面说说更好的方法去实现重定向
首先学习函数dup2
dup2中有两个参数oldfd和newfd
关于这两个参数需要详细说明：
oldfd是要拷贝到newfd中去，所以最终会留下oldfd
所以如果我们创建一个文件，这个文件的文件描述符就是3，这时要进行输出重定向，即将文件描述符1(stdout[显示器])改变指向，所以需要将3拷贝到1中去，最后留下的就是3，即所创建的文件了
所以实现输出重定向使用dup2时，oldfd是3，newfd是1，具体示例如下：
使用fprintf时顺便复习一下命令行参数，这时结果为：
如果我们直接执行myfile这个可执行文件，就进入第一行语句if (argc != 2)中了，因为此时只有myfile，argc == 1
接下来我们在myfile后面跟上了一个字符串，这时就符合要求，也打印出来了我们输入的字符串
以上是不使用dup2的情况，下面使用dup2进行输出重定向：
上面说到的，第一个参数是oldfd，第二个参数是newfd，要保留oldfd，所以我们传入fd，即test.txt的fd
观察结果：
dup2函数实现了输出重定向
dup2函数追加重定向：
只需将open的第二个参数中的O_TRUNC变为O_APPEND即可：
结果为：
也能很轻松地实现
缓冲区
缓冲区就是一段内存空间
有缓冲区能够提高整机的效率，也能够提高用户的响应速度
缓冲区的刷新策略：
1、立即刷新
2、行刷新（行缓冲，例如遇到\n）
3、满刷新（全缓冲）
也存在特殊情况：
1、用户强制刷新（例如fflush）
2、进程退出
一般采用行缓冲策略的设备文件是显示器，采用全缓冲策略的是磁盘
而所有的设备都是倾向于全缓冲的，因为缓冲区满了才刷新，IO操作少，访问外设的次数变少，从而提高效率
设备是倾向于全缓冲，但是其他的刷新策略，都是根据具体情况所做出的改变：
例如显示器是行缓冲刷新，是因为显示器是直接给用户看的，需要照顾用户体验
下面看一个例子：
先执行printf、fprintf、fputs，然后执行write，最后调用fork()
在调用fork()时，上面的函数已经执行完毕了
下面观察结果：
编译后直接运行myfile，发现在显示器上打印的是4行
但是向普通文件打印时，却变成了7行
通过观察可以发现，C语言的接口是打印了两次的，而系统接口只打印了一次
通过这个结果，我们可以看出来，执行fork()后，并不影响系统接口，所以如果存在缓冲区，是由C标准库提供的，而不是操作系统提供，因为如果是操作系统提供的，那么上面的结果应该是一样的，write也应该打印两次
所以如果我们使用fprintf、fputs等接口，应该是先写入C标准库的缓冲区中，然后我们就不需要关心了，何时刷新都是由C标准库管理的
而如果使用的是write接口，就会直接将数据写给操作系统，不需要经过缓冲区
下面说明上面代码在显示器上打印，和重定向到文件中，为什么结果不一样的原因：
第一，如果向显示器打印，这时的刷新策略是行刷新，每遇到一个\n就刷新一次，那么最后执行fork的时候，一定是函数执行完了并且数据已经被刷新了，此时的fork无意义！所以在显示器上打印时，只有4个结果
第二， 如果你进行了重定向，就变为了要向磁盘文件打印，这时的刷新策略变成了全缓冲！所以printf、fprintf、fputs字符串后面的\n便没有意义了，此时执行fork函数，有父进程和子进程，而父进程的数据还在缓冲区当中，fork函数后面就执行return 0即进程退出
上面说到特殊情况，进程退出时会刷新缓冲区，而刷新的过程其实就是写入的过程，可以理解为一个进程退出时为了不影响另一个进程使用现有的数据，所以会发生写时拷贝，所以我们明白了，上面凡是在C标准库的缓冲区的数据，都出现了两份，而直接直接写给操作系统的系统接口，只有一份
上面了解到，之所以打印到显示器上内容和打印到文件里的内容不一样，是因为打印到文件里时，改变了刷新策略，变为了全缓冲，导致父进程的数据没有被刷新出来，还保存在缓冲区中，所以执行fork后，发生写时拷贝，打印出来了2份数据
那如果我们在fork前，执行fflush函数，强制刷新缓冲区，这时执行fork时，缓冲区中没有数据，是不是就像我们所推测的那样，上面两种方式打印的内容就相同了，如下图：
观察结果：
通过观察可以发现，执行完fflush后，两种方式的打印的内容就完全相同了
stdout与stderr
stdout与stderr对应的文件描述符分别是1和2
而1和2对应的都是显示器文件，但是它们是不一样的
在输出或追加重定向时会有区别：
我们分别在打印时加上->区别是1还是2
下面看结果，正确运行时，都能打印到显示器上：
如果输出重定向：
我们会发现，往2号文件描述符写的内容依旧打印到显示器上了，而只有往1号文件描述符写的内容才重定向到文件中
所以我们明白了，这里的重定向其实是往1号文件描述符写的
1和2对应的都是显示器文件，可以理解为打开了两份，重定向时把正确的信息写到文件里，错误信息依旧打印到显示器上
因此一般情况下，如果程序可能存在问题，建议使用stderr或cerr来打印
如果是常规的文本文件，建议使用stdout或cout打印
针对标准输出和标准错误，如果我们想将这两种分开打印，可以进行如下操作：
这时就可以将调用stdout的打印到right.txt中，调用strerr的打印到err.txt中了
我们可以将标准输出和标准错误分开，2>err.txt就是将本来应该显示到2号文件描述符的内容显示到err.txt上
那如果我们就是想将stdout和stderr的内容都放在一个文件中，就可以进行如下操作：
这时就能实现上述要求
perror
上面代码中出现了perror这个函数，其实我们可以发现使用perror后，打印结果多了一个success，其实这个函数会自动根据全局的错误码，输出对应的错误原因
例如我们使用open时，经常在下面的if语句里，使用perror("open")，就是表示，如果open失败了，可以打印失败的错误信息
假设我们使用open，去读test文件，if语句中使用perror
打印结果如下：
通过ls可以发现，当前路径下并没有test文件，所以open的返回值小于0，即进入if语句执行perror
通过结果可以看到，perror会自动调用错误码输出错误信息，例如上述例子的错误信息就是不存在该文件
