文章目录

1.文件操作系统调用的几个基本接口
- open
- write
- read
- lseek
- write read close lseek ,对比C文件相关接口
2.如何理解文件操作？
3.文件描述符fd
- 文件描述符的分配规则
- 重定向
- 使用 dup2 系统调用进行重定向
4.在自己的shell中添加重定向功能：

1.文件操作系统调用的几个基本接口

这是C语言文件操作的博客博客链接。
操作文件，除了上述C接口（当然，C++也有接口，其他语言也有），我们还可以采用系统接口来进行文件访问：

open

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags);
文件已经存在推荐使用它打开
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
文件不存在推荐使用它打开，以便于设置文件权限。

参数:
pathname: 要打开或创建的目标文件，若没有指明路径，默认在进程的当前路径创建文件。

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选项进行“或”运算，构成flags。
O_RDONLY: 只读打开
O_WRONLY: 只写打开
O_RDWR : 读，写打开
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:清空文件原有内容

mode：设置新建文件的访问权限

umask 功能：查看或修改文件掩码新建文件夹默认权限是0666、新建目录默认权限是0777 但实际上你所创建的文件和目录，看到的权限往往不是上面这个值。原因就是创建文件或目录的时候还要受到umask的影响。假设默认权限是mask，则实际创建的出来的文件权限是:
默认权限 & （~umask）
说明：将现有的存取权限减去权限掩码后，即可产生建立文件时预设权限。超级用户默认掩码值为0022，普通用户默认为0002。

我们设置mode的时候也要受umask的影响，如果设置位0666，则在普通用户下最后文件的权限就是0664。
open 函数具体使用哪个，和具体应用场景相关，如目标文件不存在，需要open创建，则第三个参数表示创建文件的默认权限,否则，使用两个参数的open。

返回值：
RETURN VALUE
open() and creat() return the new file descriptor, or -1 if an error occurred
(in which case, errno is set appropriately).
成功：返回新打开的文件描述符（后面会有介绍是一个int类型的整数）
失败：-1

write

函数原型：

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

返回值：
成功：返回写入的字节数，0表示什么都没写入
失败：返回-1，并设置全局变量errno

read

函数原型：

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

返回值：
成功：返回读取的字节数，如果在调read之前已到达文件末尾，则这次read返回0
失败：返回-1并设置errno。

lseek

所有打开的文件都有一个当前文件偏移量（current file offset），以下简称为 cfo。cfo 通常是一个非负整数，用于表明文件开始处到文件当前位置的字节数。读写操作通常开始于 cfo，并且使 cfo 增大，增量为读写的字节数。文件被打开时，cfo 会被初始化为 0，除非使用了O_APPEND 。
使用 lseek 函数可以改变文件的 cfo 。
函数原型：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
off_t lseek(int filedes, off_t offset, int whence);

返回值：
成功：新的偏移量，
失败：返回-1并设置errno。
参数：
参数 offset 的含义取决于参数 whence：

如果 whence 是 SEEK_SET，文件偏移量将被设置为 offset。
如果 whence 是 SEEK_CUR，文件偏移量将被设置为 cfo 加上 offset，offset 可以为正也可以为负。
如果 whence 是 SEEK_END，文件偏移量将被设置为文件长度加上 offset，offset 可以为正也可以为负。

上面几个函数的应用代码：有一些比较重要的细节。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


int main()
{
    umask(0);
    //创建不存在的文件，然后清空文件里的内容
    int fd = open("log.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    //创建不存在的文件，然后追加文件
    //  int fd = open("log.txt", O_WRONLY  | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    //  int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;    
    }    
    
    //以\0为结尾,作为字符串结束标志是C语言规定的，
    //跟文件没有关系，所以往文件里写字符串的时候不需要考虑结尾加\0。    
    const char *msg= "I like Linux!";    
    write(fd , msg, strlen(msg));    
   
    lseek(fd,0,SEEK_SET );//重新定位
    char arr[64];    
    read(fd,arr,strlen(msg));
	arr[strlen(msg)+1]=0;

    printf("%s",arr);

    // fflush(stdout);
    close(fd);
    return 0;
}

write read close lseek ,对比C文件相关接口

先来认识一下两个概念: 系统调用和库函数。
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。
来看下面的一张图：
在这里插入图片描述
系统调用接口和库函数的关系一目了然。可以认为，C语言文件操作的函数，都是对系统调用的封装，方便二次开发，系统调用更接近底层。同样，其他语言只要是在Linux系统上跑的话，就可以统一使用系统调用来进行文件操作。减少了我们的学习成本。

2.如何理解文件操作？

Linux下一切皆文件！
文件操作的本质：进程和 被打开文件 的关系。
进程可以打开多个文件，系统中一定会存在大量的被打开的文件。被打开的文件需要被OS管理起来。
一说到管理那么就是先描述，再组织。
操作系统为了管理对应打开的文件，必定要为文件创建对应的内核数据结构（struct file { }）来标识文件。它内部包含了文件的大部分属性。

任何一个进程删除该文件时，另外一个进程会立即出现读写失败这句话是错误的。
删除文件实际上只是删除文件的目录项，文件的数据以及inode并不会立即被删除，因此若进程已经打开文件，文件被删除时，并不会影响进程的操作，因为进程已经具备文件的描述信息。

3.文件描述符fd

通过对open函数的介绍，我们知道文件描述符就是一个小整数
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

文件描述符是从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files_struct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！
本质上，文件描述符就是该数组的下标。只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件。
所以输入输出还可以采用如下方式：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
	char buf[1024];
	ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));
	if(s > 0){
	buf[s] = 0;
	write(1, buf, strlen(buf));
	write(2, buf, strlen(buf));
	}
	return 0;
}

文件描述符的分配规则

直接看代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
	int fd = open("myfile", O_RDONLY);
	if(fd < 0){
	perror("open");
	return 1;
	}
	printf("fd: %d\n", fd);
	close(fd);
	return 0;
}

运行结果是 fd: 3，关闭0或者2，再看

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
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;
}

发现是结果是： fd: 0 或者 fd：2
可见，文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，从小到大按照顺序寻找最小的且没有被占用的fd，作为新的文件描述符。

重定向

推荐阅读
如果关闭1呢？看代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	close(1);
	int fd = open("myfile", O_WRONLY|O_CREAT, 00644);
	if(fd < 0){
	perror("open");
	return 1;
	}
	printf("fd: %d\n", fd);
	fflush(stdout);
	close(fd);
	exit(0);
}

执行结果：fd：1
此时，我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件 myfile 当中，其中，fd＝1。这种现象叫做输出重定向。

常见的重定向有:>（输出重定向）, >>（追加重定向）, <（输入重定向）

类型	符号	用途	备注
标准覆盖输出重定向	1>	将命令执行的正确结果默认输出的位置，修改为指定的文件或者终端（覆盖原有内容）	通常’>'即可，1可以不写,默认就是1
标准追加输出重定向	>>	将命令执行的正确结果，输出到指定文件的末尾（不覆盖原有内容）	-
错误覆盖输出重定向	2>	将命令执行的错误结果默认输出的位置，修改为指定的文件或者终端（覆盖原有内容）	-
错误追加输出重定向	2>>	将命令执行的错误结果，输出到指定文件的末尾（不覆盖原有内容）	-
标准输入重定向	0<	将命令中接收输入内容由默认的键盘，改为命令或者文件	通常’<'即可0可以写也可以不写，默认0
标准输入追加重定向	0<<	将命令中接收输入内容由默认的键盘，改为命令或者文件	-

在这里插入图片描述

那重定向的本质是什么呢？
重定向的本质是：上层用的fd不变，在内核中更改fd对应的struct file*的地址，改变它指针的指向。

每个文件描述符都是一个内核中文件描述信息数组的下标，对应有一个文件的描述信息用于操作文件，而重定向就是在不改变所操作的文件描述符的情况下，通过改变描述符对应的文件描述信息进而实现改变所操作的文件.
在这里插入图片描述

使用 dup2 系统调用进行重定向

函数原型如下:

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2，dup是英文 duplicate拷贝的缩写，拷贝的是当前调用dup2的进程所对应的，文件描述符下标里面的内容（file*所对应的值，也就是地址）。
Linux里对其功能的描述如下：

makes newfd be the copy of oldfd, closing newfd first if necessary

假如int fd=open("./log", O_CREAT | O_RDWR); dup2(fd,1)，那么就是把fd里的内容拷贝到1里，让1也指向fd，那么最后本来要输入到1对应的文件里的内容，最后就输入到了fd对应的文件里。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main() {
	int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR);
	if (fd < 0) {
		perror("open");
		return 1;
	}
	close(1);
	dup2(fd, 1);
	for (;;) {
		char buf[1024] = { 0 };
		ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
		if (read_size < 0) {
			perror("read");
			break;
		}
		printf("%s", buf);
		fflush(stdout);
	}
	return 0;
}

4.在自己的shell中添加重定向功能：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <errno.h>

#define NUM 1024
#define OPT_NUM 64

#define NONE_REDIR   0
#define INPUT_REDIR  1
#define OUTPUT_REDIR 2
#define APPEND_REDIR  3

#define trimSpace(start) do{\
            while(isspace(*start)) ++start;\
        }while(0)

char lineCommand[NUM];
char *myargv[OPT_NUM]; //指针数组
int  lastCode = 0;
int  lastSig = 0;

int redirType = NONE_REDIR;
char *redirFile = NULL;

// "ls -a -l -i > myfile.txt" -> "ls -a -l -i" "myfile.txt" ->
void commandCheck(char *commands)
{
    assert(commands);
    char *start = commands;
    char *end = commands + strlen(commands);

    while(start < end)
    {
        if(*start == '>')
        {
            *start = '\0';
            start++;
            if(*start == '>')
            {
                // "ls -a >> file.log"
                redirType = APPEND_REDIR;
                start++;
            }
            else
            {
                // "ls -a >    file.log"
                redirType = OUTPUT_REDIR;
            }
            trimSpace(start);
            redirFile = start;
            break;
        }
        else if(*start == '<')
        {
            //"cat <      file.txt"
            *start = '\0';
            start++;
            trimSpace(start);
            // 填写重定向信息
            redirType = INPUT_REDIR;
            redirFile = start;
            break;
        }
        else
        {
            start++;
        }
    }
}


int main()
{
    while(1)
    {
        redirType = NONE_REDIR;
        redirFile = NULL;
        errno = 0;

        // 输出提示符
        printf("用户名@主机名 当前路径# ");
        fflush(stdout);

        // 获取用户输入, 输入的时候，输入\n
        char *s = fgets(lineCommand, sizeof(lineCommand)-1, stdin);
        assert(s != NULL);
        (void)s;
        // 清除最后一个\n , abcd\n
        lineCommand[strlen(lineCommand)-1] = 0; // ?
        //printf("test : %s\n", lineCommand);
        
        // "ls -a -l -i" -> "ls" "-a" "-l" "-i" -> 1->n
        // "ls -a -l -i > myfile.txt" -> "ls -a -l -i" "myfile.txt" ->
        // "ls -a -l -i >> myfile.txt" -> "ls -a -l -i" "myfile.txt" ->
        // "cat < myfile.txt" -> "cat" "myfile.txt" ->
        commandCheck(lineCommand);
        // 字符串切割
        myargv[0] = strtok(lineCommand, " ");
        int i = 1;
        if(myargv[0] != NULL && strcmp(myargv[0], "ls") == 0)
        {
            myargv[i++] = (char*)"--color=auto";
        }

        // 如果没有子串了，strtok->NULL, myargv[end] = NULL
        while(myargv[i++] = strtok(NULL, " "));

        // 如果是cd命令，不需要创建子进程,让shell自己执行对应的命令，本质就是执行系统接口
        // 像这种不需要让我们的子进程来执行，而是让shell自己执行的命令 --- 内建/内置命令
        if(myargv[0] != NULL && strcmp(myargv[0], "cd") == 0)
        {
            if(myargv[1] != NULL) chdir(myargv[1]);
            continue;
        }
        if(myargv[0] != NULL && myargv[1] != NULL && strcmp(myargv[0], "echo") == 0)
        {
            if(strcmp(myargv[1], "$?") == 0)
            {
                printf("%d, %d\n", lastCode, lastSig);
            }
            else
            {
                printf("%s\n", myargv[1]);
            }
            continue;
        }
        // 测试是否成功, 条件编译
#ifdef DEBUG
        for(int i = 0 ; myargv[i]; i++)
        {
            printf("myargv[%d]: %s\n", i, myargv[i]);
        }
#endif
        // 内建命令 --> echo

        // 执行命令
        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);

        if(id == 0)
        {
            // 因为命令是子进程执行的，真正重定向的工作一定要是子进程来完成
            // 如何重定向，是父进程要给子进程提供信息的
            // 这里重定向不会影响父进程，进程具有独立性
            switch(redirType)
            {
                case NONE_REDIR:
                    // 什么都不做
                    break;
                case INPUT_REDIR:
                    {
                        int fd = open(redirFile, O_RDONLY);
                        if(fd < 0){
                            perror("open");
                            exit(errno);
                        }
                        // 重定向的文件已经成功打开了
                        dup2(fd, 0);
                    }
                    break;
                case OUTPUT_REDIR:
                case APPEND_REDIR:
                    {
                        umask(0);
                        int flags = O_WRONLY | O_CREAT;
                        if(redirType == APPEND_REDIR) flags |= O_APPEND;
                        else flags |= O_TRUNC;
                        int fd = open(redirFile, flags, 0666);
                        if(fd < 0)
                        {
                            perror("open");
                            exit(errno);
                        }
                        dup2(fd, 1);
                    }
                    break;
                default:
                    printf("bug?\n");
                    break;
            }

            execvp(myargv[0], myargv); 
            // 执行程序替换的时候，不会影响曾经进程打开的重定向的文件
            exit(1);
        }
        int status = 0;
        pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
        assert(ret > 0);
        (void)ret;
        lastCode = ((status>>8) & 0xFF);
        lastSig = (status & 0x7F);
    }
}