基础I/O--文件系统

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回顾C文件接口
初步理解文件
理解文件
- 使用和并认识系统调用
- - open
  - - 概述
    - 标记位传参理解
    - 返回值
  - close
  - write
  - read
  - 总结
- 文件描述符fd
- - 0&1&2
  - 理解

回顾C文件接口

C代码：

#include<stdio.h>    
    
int main()    
{    
  FILE *fp=fopen("log.txt","w");    
  if(NULL==fp)    
  {    
    perror("fopen");    
    return 1;    
  }    
    
  fclose(fp);                                                                                                                            
  return 0;    
}

我们要进行文件操作，前提是程序运行起来了，所谓的文件的打开和关闭是CPU执行我们的代码才被打开或者关闭的。
fopen()函数：
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初步理解文件

打开文件：本质上是进程打开文件

文件没有被打开的时候，在哪里？在磁盘上

一个进程能打开很多文件吗？可以

系统中可不可以存在很多进程？可以

因此，在很对情况下，操作系统内部一定存在大量的被打开的文件
操作系统要不要对这些被打开的文件进行管理？要
如何管理？先描述，再组织

如果在磁盘新建一个文件，里面什么内容都没有，大小为0KB，那么这个文件占用空间吗？占，因为文件对应的创建时间、文件类型等对应的文件属性都存在。
因此，文件=内容+属性

理解文件

操作文件，本质上是进程在操作文件

文件没有被打开时，文件在磁盘上，磁盘属于外部设备，磁盘本质是一个硬件，向文件写入，本质是向硬件中写入，但是用户没有权利直接向硬件写入，硬件的管理者是操系统，因此用户不能绕过操作系统直接访问硬件，必须通过操作系统写入。操作系统给用户提供系统调用，我们用的C/C++/其他语言，都是对系统调用接口的封装。
访问文件除了可以使用已经封装好的函数，还可以使用系统调用。

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使用和并认识系统调用

open

概述

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

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

int creat(const char *pathname, mode_t mode);

pathname: 要打开或创建的目标文件
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常量进行“或”运算，构成flags。
参数:
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
返回值：
成功：新打开的文件描述符
失败：-1

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。

标记位传参理解

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

int main()
{
  umask(0);
  //system call
  int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
  if(fd<0)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
}

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操作系统本身就有一个权限掩码，现在在代码中又写了一个权限掩码。这里使用的是代码中的掩码，就近原则。自己设置了权限掩码就用自己设置的，没有就用系统的。因此最终创建的权限掩码就是666

int flag：是32个比特位的，用比特位来进行标志位的传递。flag标志位传递本质上是一个位图。

我们来设计一个传递为图标记位的函数：

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

#define ONE 1            //1: 0000 0001
#define TWO (1<<1)       //2: 0000 0010
#define THREE (1<<2)     //3: 0000 0100
#define FOUR (1<<3)      //4: 0000 1000

void print(int flag)
{
  if(flag&ONE) printf("one\n");
  if(flag&TWO) printf("two\n");
  if(flag&THREE) printf("three\n");
  if(flag&FOUR) printf("four\n");
} 

int main()
{
  print(ONE);
  printf("\n");

  print(TWO);
  printf("\n");

  print(ONE|TWO);
  printf("\n");

  print(ONE|TWO|THREE);
  printf("\n");

  print(ONE|FOUR);
  printf("\n");

  return 0;
}

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如果我们将打印替换成其他功能，那么就可以写出一个向指定函数传递标记位的方法。

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).

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返回成功，就帮我们创建一个新的文件描述符，就是一个整数，失败返回-1

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

int main()
{
  int fda=open("loga.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  printf("fda:%d\n",fda);

  int fdb=open("logb.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  printf("fdb:%d\n",fdb);

  int fdc=open("logc.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  printf("fdc:%d\n",fdc);

  int fdd=open("logd.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  printf("fdd:%d\n",fdd);

  return 0;
  
}

运行结果：

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返回值是3 4 5 6，怎么不见0 1 2呢？
因为 0 1 2分别对应标准输入（键盘）、标准输出（显示器）、标准错误（显示器）

下文有具体介绍

close

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#include <unistd.h>

int close(int fd);

write

man 2 write可查看write函数
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第一个参数 fd：表示待写入文件的文件描述符。

第二个参数 buf：指向待写入的文件内容。

第三个参数 count：待写入内容的大小，单位是字节。

返回值：实际上写入的字节数。

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

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
int main()
{
  umask(0);
  //system call
  int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
  if(fd<0)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }

  const char *message="hello linux file!\n";
  write(fd,message,strlen(message));

  close(fd);
  return 0;
}

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会发现确实是写入了hello linux file!

将上述代码中，写入hello linux file!，修改成aaa：

  const char *message="aaa";
  write(fd,message,strlen(message));

运行结果：

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可见，默认不清空文件

那么，如何再次写入文件时，之前文件会被清空呢？
需要添加一个O_TRUNC

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
int main()
{
  umask(0);
  //system call
  int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  if(fd<0)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }

  const char *message="aaa";
  write(fd,message,strlen(message));

  close(fd);
  return 0;
}

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运行结果：

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追加写入：

int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);

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read

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

第一个参数 fd：要读取文件的文件描述符。

第二个参数 buf：指向一段空间，该空间用来存储读取到的内容。

第三个参数 count：参数二指向空间的大小。

总结

intfd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);

写方式打开，不存在就创建，存在就先清空

int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);

追加形式写入

文件描述符fd

0&1&2

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

理解

在一个操作系统中有很多文件，操作系统需要对被打开文件进行管理，也就是需要创建对应的数据结构（struct_file），对文件的管理转换成对链表的增删查改。
任何一个文件=内容+属性，磁盘中文件的属性来初始化struct_file，将文件内容写入文件内核缓存里。

一个进程可以打开多个文件，对于进程来说怎么知道被打开文件与自己有关系，因此对应的task_struct存在一个属性struct files_struct *files，指向该类型的一个对象，该类型对象记录了当前进程所打开的所有文件新信息，操作系统中就存在一个结构体：struct file_struct，里面存在一个指针数组，数组的内容指向当前进程所打开的文件结构对象，也就是指向当前进程打开的文件。我们称这个数组为文件描述符表，数组下标称为文件描述符

文件描述符fd的本质是什么？
内核进程：文件映射关系的数组下标。

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