文件基础和文件fd

news2024/9/19 10:58:06

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预备知识
C语言的文件接口
系统调用
文件fd

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预备知识

我们平时说文件就是说文件里面有什么，那么空文件有大小吗？答案肯定是有的，我们平时所说的文件除了文件的内容以外还存在文件的创建时间，大小等等，这是文件的属性，所以文件 = 内容 + 属性的。所以我们对文件的操作无非就是对文件内容或者对文件属性的操作。不管是内容还是属性，它们本质都是数据，所以他们被存储在磁盘中，就是磁盘文件。所以我们要访问一个文件的时候都是要把这个文件打开的，该文件被打开前就是磁盘文件，被打开后，因为CPU只和内存打交道，所以被打开的文件一定会被加载到内存。所以加载磁盘文件，一定会访问外设，这部分工作是由OS来做的。
一个进程是可以打开很多文件的，所以进程和文件的比例关系一定是 1 ：n 。而在我们的系统中是有很多进程的，所以被打开的文件也可能会非常的多，所以OS要对这些文件进行管理，管理的本质就是先描述在组织，因此在OS中存在struct file结构体来描述文件，所以以后打开一个文件就创建一个file结构体，把他们用链表链起来，对文件的管理就成了对该链表的增删查改。

C语言的文件接口

C语言打开文件的是fopen
在这里插入图片描述
第一个参数就是打开文件的名称，可以使用绝对路径也可以使用相对路径，第二个参数是打开的模式，经常用的就是w以写的方式打开，但是每次打开都会清空文件，不存在就创建，还有一种常用的是a以追加的方式打开，每次打开不会清空文件，直接在文件结尾进行写入，依然是不存在就创建。还有r方式，是以只读的方式打开。经常用的就是这三种模式。
我们会发现w模式和我们指令所讲的输出重定向非常像。
在这里插入图片描述
a模式和追加重定向非常相似。

系统调用

我们再来认识一个系统调用open。
在这里插入图片描述
open函数是一个系统用调用，它的第一个参数就是文件名，和fopen一样，但是第二个参数是标志位。标志位有很多但是这里我们只介绍常用的几种。第三个参数是文件的权限，一般来说只有创建文件的时候需要设置。

关于函数传入标志为的技巧是Linux中常用的传参方式，接下来给兄弟们演示一下什么叫做标志位传参。

#include <stdio.h>

#define Print1 1
#define Print2 (1 << 1)
#define Print3 (1 << 2)
#define Print4 (1 << 3)

void printflag (int flag)
{
    if(flag & Print1) printf("i am Print1\n");
    if(flag & Print2) printf("i am Print2\n");
    if(flag & Print3) printf("i am Print3\n");
    if(flag & Print4) printf("i am Print4\n");
}
int main()
{
    printflag(Print1);
    printf("============================\n");
    printflag(Print1 | Print2);
    printf("============================\n");
    printflag(Print1 | Print2 | Print3);
    printf("============================\n");
    printflag(Print1 | Print2 | Print3 | Print4);
    printf("============================\n");
    return 0;
}

在这里插入图片描述
所以open的第二个参数第原理和这个基本上是差不多的，它的选项常用的O_WRONLY(只写)、O_RDONLY(只读)、O_CREAT(不存在就创建)、O_TRUNC(每次打开时清空文件)、O_APPEND(追加写，不清空文件)。open的返回值是一个fd(文件描述符)，它是用来表示一个文件的。所以C语言中的FILE也一定封装了这个数字。有了这些选项的基础，我们可以来模仿实现一下fopen的各个选项的实现。

FILE _fopen(const char * str, char c)
{
    int flag = 0;
    int is_read;
    if(c == 'a')
    {
        flag = O_WRONLY | O_APPEND | O_CREAT;
    }
    else
    {
        if(c == 'w')
        {
        flag = O_WRONLY | O_TRUNC | O_CREAT;

        }
        else
        {
            if(c == 'r')
            {
                flag = O_RDONLY;
                is_read = 1;
            }
            else
            {
                //TODO
            }
        }
    }

    int fd = 0;
    if(is_read)
    {
        fd = open(str, flag, 0x666);
        if(fd < 0)
        {
            perror("open");
            exit(-1);
        } 
    }
    else
    {
        fd = open(str, flag);
        if(fd < 0)
        {
            perror("open");
            exit(-1);
        } 
    }
    FILE file;
    // _fileno就是文件描述符
    file._fileno = fd;
    return file;
}

所以C语言的所有库函数的本质都是封装了系统调用。

文件fd

到这里我们可以来尝试理解一下文件了。如何在系统层面上理解一下文件呢？
我们知道每个进程在被创建是都是会有自己的PCB的，在Linux中也就是task_struct，所以每个进程的PCB中都有一个struct files_struct* files 的指针，这个指针指向的结构体中有一个非常重要的一张表，struct file* fd_array[]，这是一个指针数组，我们打开的每一个文件都会被在这个指针数组中被指向，一般来说是从小到大来排列的，而数组的下标就是我们上面系统调用返回的文件描述符。所以文件描述符的本质就是数组的下标。操作系统访问文件只认识文件描述符。
在这里插入图片描述
我们进程在运行的时候，是会默认打开三个流，标准输入流、标准输出流、标准错误流。这三个流对应的硬件分别是键盘、显示器、显示器。因为Linux下一切皆文件，所以这三个流在进程被打开时会一次把文件描述符表的0、1、2位置给占了，所以我们自己打开的文件的fd一般是从3开始从小到大排的。
在这里插入图片描述
OS默认打开三个流，就是为了我们程序员默认进行输入输出的代码的编写。