【linux深入剖析】基础IO操作 | 使用Linux库函数实现读写操作

🍁你好，我是 RO-BERRY 📗 致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识 🎄感谢你的陪伴与支持，故事既有了开头，就要画上一个完美的句号，让我们一起加油

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前言
1.复习C文件IO相关操作
- 1.1 fopen函数
- - 1.1.1 w模式
  - 1.1.2 a模式
- 1.2 fwrite函数
- - 函数介绍
  - 函数使用
- 1.3 fgets函数
2.程序默认打开的文件流
3. 系统文件I/O
- 标志位flag
- w清空文件
- a追加文件
- r读取文件内容
- open函数返回值

前言

本节的学习我们需要弄清几个概念

文件 = 内容 + 属性
访问文件之前，都得先打开，然后再进行修改文件的操作，通过执行代码的方式完成修改，这期间文件必须被加载到内存中—内存文件
打开文件的操作是通过进程的形式来实现的
一个进程可以打开多个文件
进程没有打开的文件会被存在在磁盘中—磁盘文件
一定时间段内，系统中存才多个进程，也可能同时存在更多的被打开的文件，操作系统(OS)要不要管理多个被进程打开的文件呢？

这个答案是肯定的，但是我们更需要理解的是其如何对这些进行管理的？
先描述再组织
内核中一定要有描述被打开文件的结构体，并用其定义对象

1.复习C文件IO相关操作

C语言提供了一些文件操作函数，用于对文件进行读写和管理。以下是一些常用的C语言文件操作函数：

fclose()：关闭文件。语法为：int fclose(FILE *stream);
fgetc()：从文件中读取一个字符。语法为：int fgetc(FILE *stream);
fputc()：将一个字符写入文件。语法为：int fputc(int c, FILE *stream);
fgets()：从文件中读取一行字符串。语法为：char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);
fputs()：将一个字符串写入文件。语法为：int fputs(const char *str, FILE *stream);
fprintf()：将格式化的数据写入文件。语法为：int fprintf(FILE *stream, const char *format, …);
fscanf()：从文件中读取格式化的数据。语法为：int fscanf(FILE *stream, const char *format, …);
fseek()：设置文件指针的位置。语法为：int fseek(FILE *stream, long offset, int origin);
ftell()：获取当前文件指针的位置。语法为：long ftell(FILE *stream);
rewind()：将文件指针重置到文件开头。语法为：void rewind(FILE *stream);
feof()：检查文件结束标志。语法为：int feof(FILE *stream);

以上是一些常用的C语言文件操作函数，你可以根据需要选择适合的函数来进行文件操作。

1.1 fopen函数

我们先认识一下fopen函数

fopen是一个C语言中的标准库函数，用于打开文件。它的原型如下：
FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
其中，filename是要打开的文件名，mode是打开文件的模式。fopen函数返回一个指向FILE结构的指针，该结构用于后续对文件进行读写操作。

常见的文件打开模式有以下几种：

“r”：以只读方式打开文件，文件必须存在。
“w”：以写入方式打开文件，如果文件不存在则创建，如果文件存在则清空内容。
“a”：以追加方式打开文件，如果文件不存在则创建。
“rb”、“wb”、“ab”：以二进制模式打开文件，用于处理二进制文件。
fopen函数还可以用于打开其他类型的文件，例如网络流、设备文件等。

linux系统下的打开模式:
在这里插入图片描述
注意，在使用完文件后，需要使用fclose函数关闭文件，以释放资源。

1.1.1 w模式

#include<stdio.h>

int main()
{
  FILE *fp = fopen("./log.txt","w");
  if(fp == NULL)
  {
    perror("fopen");
    return 1;
  }

  fclose(fp);
  return 0;
}

运行结果：
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加上一点文件操作：

#include<stdio.h>

int main()
{
  FILE *fp = fopen("./log.txt","w");
  if(fp == NULL)
  {
    perror("fopen");
    return 1;
  }
  //文件操作
  const char *str = "hello file\n";
  fputs(str,fp);
  
  fclose(fp);
  return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

将文件操作注释掉：

#include<stdio.h>

int main()
{
  FILE *fp = fopen("./log.txt","w");
  if(fp == NULL)
  {
    perror("fopen");
    return 1;
  }
  //文件操作
  //const char *str = "hello file\n";
  //fputs(str,fp);
  

  fclose(fp);
  return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
结果刚刚写入的hello file被清空了

结论：
以W方式访问文件时，首先清空原始文件，如果没有文件，会进行创建文件，在文件的开头对文件进行修改。

echo命令+重定向：
在这里插入图片描述
可以发现其本质就是我们的w模式，文本文件会被清空然后再往其中进行写入，我们单纯使用重定向(大于符号)，文件会直接被清空

1.1.2 a模式

#include<stdio.h>

int main()
{
  FILE *fp = fopen("./log.txt","a");
  if(fp == NULL)
  {
    perror("fopen");
    return 1;
  }
  //文件操作
  const char *str = "hello file\n";
  fputs(str,fp);
  

  fclose(fp);
  return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

a模式本质也是写入，只不过其写入是追加在文件末尾

echo命令+追加重定向：
在这里插入图片描述
可以发现其本质就是我们的a模式

1.2 fwrite函数

函数介绍

fwrite是C语言中的一个函数，用于将数据块写入文件。它的原型如下：

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

参数说明：

ptr：指向要写入的数据块的指针。
size：每个数据块的字节数。
count：要写入的数据块的数量。
stream：指向要写入的文件的指针。

fwrite函数将数据块从内存写入到文件中。它会返回成功写入的数据块数量。如果返回值与count不相等，可能表示写入失败或者到达了文件末尾。
使用fwrite函数时，需要注意以下几点：

写入的数据块大小应与实际数据类型相匹配，以避免数据损坏或类型错误。
写入的文件必须以二进制模式打开，以确保数据以原始格式写入文件。
写入的文件必须存在且可写。

函数使用

#include<stdio.h>
#include<string.h>

int main()
{
  FILE *fp = fopen("./log.txt","a");
  if(fp == NULL)
  {
    perror("fopen");
    return 1;
  }
  //文件操作
  const char *str = "hello file\n";
  fputs(str,fp);
  int count = 5;
  while(count--)
  {
    fwrite(str,strlen(str),1,fp);
  }
  
  fclose(fp);
  return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

对log.txt文件中写入了6个hello file，fputs写了一个，fwrite写了5个

1.3 fgets函数

fgets是C语言中的一个函数，用于从文件或标准输入流中读取一行字符串。它的函数原型如下：
char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);
其中，str是一个指向字符数组的指针，用于存储读取到的字符串；n是一个整数，表示最多读取的字符数（包括换行符和空字符）；stream是一个指向FILE结构的指针，表示要读取的文件流。

fgets函数会从指定的文件流中读取一行字符串，并将其存储到str所指向的字符数组中。它会读取n-1个字符，或者直到遇到换行符（‘\n’）为止。如果成功读取到字符串，则会在字符串末尾添加一个空字符(‘\0’)作为结束标志。
fgets函数的返回值是一个指向str的指针，如果成功读取到字符串，则返回该指针；如果到达文件末尾或发生错误，则返回NULL。
需要注意的是，fgets函数会将换行符也读取进来，并存储在字符串中。如果不希望包含换行符，可以使用字符串处理函数（如strlen和strtok）来去除它。

#include<stdio.h>
#include<string.h>

int main()
{
  FILE *fp = fopen("./log.txt","r");
  if(fp == NULL)
  {
    perror("fopen");
    return 1;
  }

  char buffer[64];
  while(1)
  {
    char *r = fgets(buffer,sizeof(buffer),fp);
    if(!r) break;

    printf("%s",buffer);
  }
  
  fclose(fp);
  return 0;
}

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2.程序默认打开的文件流

C默认会打开三个输入输出流，分别是stdin, stdout, 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

stdin、stdout和stderr是与输入输出相关的三个标准流。它们在计算机程序中起着重要的作用。

stdin（标准输入）：stdin是程序接收输入数据的标准输入流。它通常与键盘输入相关联，用于从用户那里接收输入。程序可以通过读取stdin来获取用户输入的数据。
stdout（标准输出）：stdout是程序输出结果的标准输出流。它通常与屏幕输出相关联，用于向用户显示程序的输出结果。程序可以通过将数据写入stdout来输出结果。
stderr（标准错误）：stderr是程序输出错误信息的标准错误流。它通常也与屏幕输出相关联，用于向用户显示程序的错误信息。与stdout不同的是，stderr主要用于输出程序运行过程中的错误和异常信息。

这三个标准流在程序中起着重要的作用，它们可以通过重定向进行控制。例如，可以将stdin重定向到文件中，以便从文件中读取输入；可以将stdout和stderr重定向到文件中，以便将输出结果和错误信息保存到文件中。

stdout就是我们的显示器，于是我们就多了几种打印的方式：

#include<stdio.h>
#include<string.h>

int main()
{
  printf("hello printf\n");
  fputs("hello file\n",stdout);
  const char *msg="hello fwrite\n";
  fwrite(msg,1,strlen(msg),stdout);
  fprintf(stdout,"hello fprintf\n");
  return 0;
}

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stdin是程序接收输入数据的标准输入流。我们可以这样输入：

#include<stdio.h>
#include<string.h>

int main()
{
  char buffer[64];
  fscanf(stdin,"%s",buffer);
  
  printf("%s",buffer);
  return 0;
}

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3. 系统文件I/O

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，先来直接以代码的形式，实现和上面一模一样的代码：

我们先认识Linux的open接口
Linux的open接口是用于打开文件或创建文件的系统调用函数。它的原型如下：

man 2 open

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其中，pathname参数是文件路径名，flags参数指定了打开文件的方式和行为，mode参数用于指定新创建文件的权限。

flags参数可以使用以下常用的标志位进行组合：

O_RDONLY：只读方式打开文件。
O_WRONLY：只写方式打开文件。
O_RDWR：读写方式打开文件。
O_CREAT：如果文件不存在，则创建文件。
O_EXCL：与O_CREAT一起使用，如果文件已存在则返回错误。
O_TRUNC：如果文件存在且以写方式打开，则将其长度截断为0。
O_APPEND：以追加方式打开文件，即每次写操作都追加到文件末尾。

mode参数用于指定新创建文件的权限，它是一个八进制数，常用的权限值有：

S_IRUSR：用户可读权限。
S_IWUSR：用户可写权限。
S_IXUSR：用户可执行权限。
S_IRGRP：组可读权限。
S_IWGRP：组可写权限。
S_IXGRP：组可执行权限。
S_IROTH：其他人可读权限。
S_IWOTH：其他人可写权限。
S_IXOTH：其他人可执行权限。

如果open函数调用成功，则返回一个非负整数的文件描述符，该文件描述符可以用于后续的读写操作。如果调用失败，则返回-1，并设置errno变量来指示错误原因。

标志位flag

标志位flag类似于一个一个宏，我们在如下代码使用按位与实现对12345的输出，另一方面模拟实现了open接口里的flag

#include<stdio.h>

#define ONE 1
#define TWO (1<<1)
#define THREE (1<<2)
#define FOUR (1<<3)
#define FIVE (1<<4)

void Print(int flag)
{
  if(flag & ONE) printf("1\n");
  if(flag & TWO) printf("2\n");
  if(flag & THREE) printf("3\n");
  if(flag & FOUR) printf("4\n");
  if(flag & FIVE) printf("5\n");

}
int main()
{
  Print(ONE);
  printf("-------------------------\n");
  Print(TWO);
  printf("-------------------------\n"); 
  Print(ONE|TWO);
  printf("-------------------------\n");
  Print(THREE|FOUR|FIVE);
  printf("-------------------------\n");
  Print(ONE|TWO|THREE|FOUR|FIVE);
  return 0;
}

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w清空文件

我们可以使用open接口以写的形式打开文件

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

int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY);  //以写的方式打开
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  return 0;
}

因为什么都没做。

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删掉log.txt后，便会报错

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我们可以使用open接口以写的形式打开文件,并实现文件不存在时创建文件

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

int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT);  //以写的方式打开
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  return 0;
}

在这里插入图片描述
这里文件权限上出现了S，这是我们从没见过的参数，也就是权限位乱码了,这是因为我们使用C语言新建的文件，并不是系统默认的
所以我们在实现创建文件的操作时，我们需要告诉系统文件的权限

我们可以使用open接口以写的形式打开文件,并实现文件不存在时创建文件(改良)

mode参数那里我们填入普通文件权限0666权限掩码

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

int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);  //以写的方式打开
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  return 0;
}

在这里插入图片描述

我们可以使用open接口以写的形式打开文件,并实现文件不存在时创建文件，往其中写入文件

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

int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);  //以写的方式打开
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  
  const char* str="hello system call\n";
  write(fd,str,strlen(str));

  close(fd);
  return 0;
}

在这里插入图片描述

我们可以使用open接口以写的形式打开文件,并实现文件不存在时创建文件，往其中写入文件，文件里有内容验证是否去清空文件内容重新写入

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

int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);  //以写的方式打开
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  
  const char* str="aaaa\n";
  write(fd,str,strlen(str));

  close(fd);
  return 0;
}

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在这里并没有清空源文件的内容，只是在开头用aaaa\n替换了开头五个字符长度的字符串

实现清空（实现w模式）

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

int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);  //以写的方式打开
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  
  const char* str="aaaa\n";
  write(fd,str,strlen(str));

  close(fd);
  return 0;
}

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a追加文件

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

int main()
{
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);  //以写的方式打开
  if(fd == -1)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  
  const char* str="aaaa\n";
  write(fd,str,strlen(str));

  close(fd);
  return 0;
}

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r读取文件内容

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
	int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
	if(fd < 0)
	{
		perror("open");
		return 1;
	}
 	const char *msg = "hello bit!\n";
 	char buf[1024];
 	while(1)
 	{
 		ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg));//类比write
 		if(s > 0)
 		{
 			printf("%s", buf);
 		}
 		else
 		{
 			break;
 		}
 	}
	close(fd);
	return 0;
}

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open函数返回值

open的函数返回值不是int吗？我们来输出一下

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  int fd1 = open("log.txt", O_WRONLY);
  int fd2 = open("log.txt", O_WRONLY);
  int fd3 = open("log.txt", O_WRONLY);
  int fd4 = open("log.txt", O_WRONLY);
  int fd5 = open("log.txt", O_WRONLY);
  
  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;
}

在这里插入图片描述
这里为什么是34567？为啥不见012呢？
这是因为012已经被默认使用了

0:标准输入
1:标准输出
2:标准错误

在认识返回值之前，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

在这里插入图片描述
我们之前的标准输入、标准输出、标准错误

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其类型都是FILE，这其实是我们C语言库里的一个结构体，如果他们能变成我们的012，必须是在其内部封装了

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
  printf("%d\n",stdin->_fileno);
  printf("%d\n",stdout->_fileno);
  printf("%d\n",stderr->_fileno);
  int fd1 = open("log.txt", O_WRONLY);
  int fd2 = open("log.txt", O_WRONLY);
  int fd3 = open("log.txt", O_WRONLY);
  int fd4 = open("log.txt", O_WRONLY);
  int fd5 = open("log.txt", O_WRONLY);
  
  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;
}