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C语言 文件IO

在正式讲解Linux中是如何对文件进行IO前，我们先简单回顾以下C语言中，是如何进行文件的IO的。

对于C语言部分接口，本博客不做详解，只回顾些重要概念。想了解接口可见博客[C语言：文件操作]。

fopen

fopen用于打开文件，包含在头文件<stdio.h>中，函数原型如下：

FILE* fopen(const char *pathname, const char *mode);

• pathname：打开文件路径，可以是绝对路径或相对路径
• mode：打开文件的模式

打开文件的最常用模式为：

"r"：只读，若文件不存在则报错
"w"：只写，若文件不存在则创建，打开时清空文件原有内容
"a"：只写，若文件不存在则创建，打开时从文件末尾追加

该函数会返回一个FILE*的指针，C语言中，通过操作这个FILE*来控制文件的IO。

当我们打开文件时，每个被使⽤的⽂件都在内存中开辟了⼀个相应的⽂件信息区，⽤来存放⽂件的相关信息。

这些信息是保存在⼀个结构体变量中的。该结构体类型是由系统声明的，取名FILE。我们可以通过操纵这个FILE类型的结构体，来操控文件。

大部分情况下，我们可以得到一个指向该结构体的指针FILE*，即文件指针，后续通过文件指针来操控文件。

上图中，三个指针pf1，pf2，pf3，它们都指向了一个FILE类型的文件信息区。而每个文件信息区都存储着一个文件的信息，后续就通过这三个指针来操控这三个文件。

C语⾔程序在启动的时候，默认打开了3个流：

stdin - 标准输⼊流，在⼤多数的环境中从键盘输⼊。
stdout - 标准输出流，⼤多数的环境中输出⾄显⽰器界⾯。
stderr - 标准错误流，⼤多数环境中输出到显⽰器界⾯。

这三个流也是通过文件指针来操作的。

以上是从C语言的视角来看文件，接下来从操作系统的角度来看文件。

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Linux 文件IO

在C语言中，所有文件都通过文件指针FILE*来操控，而在Linux中，所有IO操作都围绕文件描述符fd。

open接口

open用于打开文件，需要头文件<sys/types.h>、<sys/stat.h>、fcntl.h，函数原型如下：

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

open会返回一个int类型的值，这个值就是文件描述符fd，后续通过fd操控对应文件。

该接口有两个版本，先说只有两个参数的接口：

• pathname：打开文件的路径
• flags：打开文件的模式

这个模式和fopen的相似，比如控制读、写、追加等，以下选项：

选项	功能
O_RDONLY	以只读方式打开
O_WRONLY	以只读方式打开
O_RDWR	以读写方式打开
O_CREAT	若打开时不存在，则创建文件

假设用以下代码打开一个不存在的文件：

int fd = open("log.txt", O_WRONLY);

如果使用C语言的fopen，以w形式打开，遇到一个不存在的文件log.txt，则会默认创建该文件。但是对于open接口，以O_RDONLY形式打开一个文件，如果文件不存在，就什么也不干。

如果想要打开文件同时创建文件，则需要加上O_CREAT，open接口是以位图的形式传参的，把所需的选项进行按位或即可。

在test.exe中执行以下代码：

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

int main()
{
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT);

    return 0;
}

其中O_WRONLY | O_CREAT的意思就是：以只读方式打开文件，如果文件不存在就创建。

运行,/test.exe后，当前目录就出现了文件log.txt了，但是它的权限值是乱码-rws--s--T，如果你删掉该文件后再次运行代码，你会发现下一次的权限值和上次还不一样。

当open没有传入第三个参数时，生成文件的权限值是随机的

此时就需要三个参数的open接口：

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

其中mode用于控制文件的初始权限，最终权限还要经过umask过滤

在test.exe中执行以下代码：

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

int main()
{
    umask(0000);
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);

    return 0;
}

先通过umask(0000)将当前的umask变成0000，随后open的第三个参数传入0666，也就是log.txt的初始权限。由于umask变成0000，不会影响初始权限，最终log.txt的权限就是0666，也就是rw-rw-rw-。

最终log.txt的权限为rw-rw-rw-，因此open的第三个参数，是用于控制文件的初始权限的。

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close接口

close用于关闭文件，需要头文件<unistd.h>，函数原型如下：

int close(int fd);

直接传入对应文件的fd即可。

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write接口

write用于向文件写入，需要头文件<unistd.h>，函数原型如下：

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

• fd：被写入文件的fd
• buf：指向被写入的字符串
• count：写入字符的个数

示例：

在test.exe中执行以下代码：

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

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

    const char* str = "Hello\n World!\n";
    write(fd, str, 6);

    close(fd);

    return 0;
}

以上代码中，向log.txt写入了一个字符串str，write的第三个参数为6，只写入了六个字符Hello\n，输出结果：

可以看到，log.txt的内容确实是Hello。

在保留原先的Hello的情况下，我们再写入以下内容：

const char* str = "123";
write(fd, str, 3);

这次只写入三个字符，看看输出结果：

最终log.txt的内容变成了123lo，这是为什么?

以O_WRONLY模式对文件进行写入时，不会先把文件内容清空，而是直接从头开始覆盖

因此新写入的123把原先hello的头三个字符覆盖掉了，但是后面的字符没有被覆盖也没有被清空。

对于一个文件重复写入，有两种解决方案，对应两个open的选项：

选项	功能
O_TRUNC	打开时清空文件内容
O_APPEND	以追加的形式写入

同样以位图的形式传入，直接按位或到第三个参数中即可，这样就可以得到两种常用组合：

• O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC：以只读形式打开，如果文件不存在就创建，打开时清空文件所有内容
• O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND：以只读形式打开，如果文件不存在就创建，打开时从文件的结尾开始追加

不知道你看到这个描述，有没有一点点熟悉？

没错，O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC模式打开，就是fopen的以"w"形式打开；O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND就是fopen的以"a"形式打开。由于fopen是用户操作接口，而open是系统调用接口，其实fopen就是对open的封装。

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read接口

read用于读取文件，需要头文件<unistd.h>，函数原型如下：

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

• fd：目标文件的文件描述符fd
• buf：将文件内容读取到buf指向的空间中
• count：最多读取count个字节的内容

返回值：

< 0：读取发送错误
= 0：读取到文件末尾
> 0：读取成功，返回读取到的字符个数

示例：

在test.exe中执行以下代码：

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

int main()
{
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY);

    char buffer[1024];
    ssize_t ret1 = read(fd, buffer, 1024);

    printf("ret1 = %ld\n", ret1);
    printf("%s", buffer);

    ssize_t ret2 = read(fd, buffer, 1024);
    printf("ret2 = %ld\n", ret2);

    close(fd);

    return 0;
}

log.txt的内容为字符串Hello Linux\n，一开始通过open以只读形式打开文件后，先通过read(fd, buffer, 1024)把内容存储到数组buffer中，并把返回值交给ret1。随后输出ret1和buffer。

读取完log.txt后，再读取了一次read(fd, buffer, 1024)，这次读取的结果交给ret2，并输出ret2。

输出结果：

第一次read返回值为13，也就是字符串Hello Linux\n中有13个字符，随后buffer中也正常输出了Hello Linux\n。而第二次read，由于上一次读取时已经遇到文件末尾了，所以本次读取返回0。

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内存文件管理

struct file

想要打开一个文件，文件是要从磁盘中提取的，要访问硬件设备，而访问硬件设备是操作系统才有的权力，因此访问文件毫无疑问是要经过操作系统的。在操作系统中，会使用一个叫做file的结构体来描述一个被打开的文件，并把这个文件的数据从磁盘加载到内存中。

当一个文件被打开加载到内存中，就可以称这个文件是一个内存文件，本博客现在讨论的就是被打开的文件，或者说内存文件是如何进行管理的。

在Linux 2.6.10内核中，struct file如下：

struct file {
	struct list_head	f_list;
	struct dentry		*f_dentry;
	struct vfsmount         *f_vfsmnt;
	struct file_operations	*f_op;
	atomic_t		f_count;
	unsigned int 		f_flags;
	mode_t			f_mode;
	int			f_error;
	loff_t			f_pos;
	struct fown_struct	f_owner;
	unsigned int		f_uid, f_gid;
	struct file_ra_state	f_ra;

	unsigned long		f_version;
	void			*f_security;

	/* needed for tty driver, and maybe others */
	void			*private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL
	/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
	struct list_head	f_ep_links;
	spinlock_t		f_ep_lock;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
	struct address_space	*f_mapping;
};

struct file 是一个非常重要的数据结构，它表示一个打开的文件，并且提供了访问和操作文件的接口。

我提取出几个重要的成员，做一个简化模型：

其中这些重要成员的功能如下：

loff_t f_pos

这个成员保存了文件当前的读写位置。许多文件操作函数都会根据这个位置来读写数据。

unsigned int f_flags:

这个成员保存了打开文件时设置的标志,如 O_RDONLY, O_WRONLY, O_APPEND 等。这些标志决定了对文件的访问权限和行为。

struct fown_struct f_owner

这个成员保存了文件所有者的信息,包括进程 ID 和用户 ID。它用于实现文件的所有权和权限检查。

struct file_operations *f_op

这个成员指向一个 struct file_operations 类型的结构体,它定义了各种文件操作函数,如 read(), write(), open(), release() 等。这些函数由文件系统或驱动程序实现,用于处理对文件的各种操作。

在Linux中，一切皆文件，不论是显示器，键盘，磁盘，内存，一切软硬件都是通过文件来控制的，因此每个文件的写入与读取方式很有可能不同，但是我们又要用read，write这样的接口来对文件统一的读写。于是在struct file中，用一个f_op成员指向一个结构体struct file_operations，在对应结构体内部，存放着指向各种函数指针。

在Linux 2.6.10内核中，struct file_operations如下：

struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t);
	int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
	unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *);
	int (*release) (struct inode *, struct file *);
	int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
	int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
	int (*fasync) (int, struct file *, int);
	int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
	ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
	ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);
	ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
	unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
	int (*check_flags)(int);
	int (*dir_notify)(struct file *filp, unsigned long arg);
	int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
};

在以上结构体的成员中，可以找到几个熟悉的身影：read，write，open，它们都是函数指针。我们在对文件进行IO操作的时候，其实都是到了struct file中，找到这里的函数指针，通过函数的地址来调用各自实现的函数。这样每个硬件厂商实现自己的读写接口，上层只需要以统一的形式调用即可。

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struct files_struct

刚刚的结构体struct file是用于描述具体的被打开的文件的，而操作系统想要对所有被打开的文件进行统一的管理，就需要再把所有的struct file组织起来，这个组织struct file的结构体，就是struct files_struct 。

在Linux 2.6.10内核中，struct files_struct如下：

struct files_struct {
        atomic_t count;
        spinlock_t file_lock;     /* Protects all the below members.  Nests inside tsk->alloc_lock */
        int max_fds;
        int max_fdset;
        int next_fd;
        struct file ** fd;      /* current fd array */
        fd_set *close_on_exec;
        fd_set *open_fds;
        fd_set close_on_exec_init;
        fd_set open_fds_init;
        struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
};

其中最重要的成员，就是最后一个成员fd_array，该成员是一个数组，指向的成员类型为struct file*，也就是指向struct file的指针。

视图如下：

fd_array就是灰色的数组，每个数组的元素都是一个指向struct file的指针，struct file对应一个打开的文件。操作系统有一个全局的struct files_struct，用于统一管理所有进程打开的文件。

每个进程也要打开多个文件，那么每个进程又要如何管理自己打开的文件呢？

每个进程也要通过struct files_struct来管理多个struct file

在进程PCB即task_struct中，有这样一个成员：

/* open file information */
	struct files_struct *files;

也就是说，每个进程也要维护一个struct files_struct，来控制自己打开的文件。

当一个文件被打开，大致视图如下：

左侧是被操作系统全局管理的struct files_struct，整个系统中所有被打开的文件都要被这个结构体管理。而右侧是每个进程自己打开维护的struct files_struct，分别管理自己打开的文件。

我在图片中也标识了，当多个进程打开同一个文件，那么它们的fd_array里面的元素，会指向同一个struct file。

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文件描述符 fd

那么我在此先抛出结论：

文件描述符fd，就是fd_array的数组下标

现在我们创建一大批文件，然后看看它们的fd的值。

在test.exe中执行以下代码：

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

int main()
{
    int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    int fd3 = open("log3.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    int fd4 = open("log4.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    int fd5 = open("log5.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);

    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;
}

输出结果：

执行./test.exe后，确实多出了五个文件，但是其fd是3 4 5 6 7这样从3开始依次排列的，为什么要这样干？数组下标从0开始，那么编号0 1 2的fd去哪里了？

还记得在C语言中，会为我们默认打开三个流stdin,stdout,stderr吗？这三个流也是向文件输入输出，默认打开三个流stdin,stdout,stderr的时候，0 1 2为编号的fd就已经被占用了！

C语言中，文件流是以FILE的形式被管理的，毫无疑问FILE是对Linux文件系统的封装，FILE内部一定存储了fd，否则无法通过fd来访问特定的文件。其中FILE的_fileno成员，就是fd。

来看看stdin，stdout，stderr的_fileno：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int fd1 = stdin->_fileno;
    int fd2 = stdout->_fileno;
    int fd3 = stderr->_fileno;

    printf("stdin->_fileno = %d\n", fd1);
    printf("stdout->_fileno = %d\n", fd2);
    printf("stderr->_fileno = %d\n", fd3);

    return 0;
}

输出结果：

这就很好的证明了stdin,stdout,stderr占用了0 1 2为编号的fd。

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缓冲区

也许你听说过很多次缓冲区，但是对它依然感到陌生，其实缓冲区的概念很好理解：

缓冲区本质上就是一块内存区域

fwrite等C语言的文件IO接口，都在底层封装了系统调用接口write等，如果用户高频调用fwrite，那么也就会相应地调用write等系统调用接口。

于是C语言的设计者认为，反正最后数据都要被到内存中，这个过程需要通过write等系统调用接口，我们能不能把调用fwrite写入的数据先保留下来，等到一定的量之后，再通过一次write，把之前所有的数据一次性写入？

于是缓冲区应运而生，这个缓冲区叫做用户级缓冲区，用户调用的所有C语言文件IO接口，都会先写到缓冲区中，然后等到一定条件，在通过一次系统调用，把之前所有缓冲区的数据写入到操作系统中，这个一次性写入过程叫做刷新缓冲区。

要注意的是，操作系统也有自己的缓冲区，但是这个是操作系统自己管理的内核缓冲区，其决定了wirte等系统调用接口写入的数据，何时写入到内存中，但不是该博客讨论的范围，后续讨论的缓冲区都是用户级缓冲区。

用户级缓冲区的刷新策略有以下三种：

1. 无缓冲：不进行缓冲，直接输出
2. 行缓冲：向显示器写入时，'\n'会强制刷新缓冲区，也就是一行一行刷新缓冲区
3. 全缓冲：向普通文件写入时，一般缓冲区被写满才会刷新

当然，程序结束，或者用户调用flush函数，也会强制刷新缓冲区。

那么缓冲区在哪里呢？

缓冲区被结构体FILE管理

由于每个文件的FILE是独立的，因此每个文件的缓冲区也是独立的！

我用一段申请的代码来证明缓冲区的存在：

先在test.exe中运行以下代码：

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

int main()
{
    const char* s1 = "hello write!\n";
    write(stdout->_fileno, s1, strlen(s1));

    const char* s2 = "hello printf!";
    printf("%s", s2);

    printf("\n");

    return 0;
}

这串代码分别通过系统调用接口write和用户操作接口printf向stdout写入数据，也就是向显示器写入数据。

输出结果：

write和printf都输出了一条语句，这符合预期，接下来我修改一下代码：

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

int main()
{
    const char* s1 = "hello write!\n";
    write(stdout->_fileno, s1, strlen(s1));

    const char* s2 = "hello printf!";
    printf("%s", s2);

	fork();
	
    printf("\n");

    return 0;
}

在write和printf输出完后，在printf("\n");之前，使用fork创建了一个子进程，现在输出结果如下：

奇怪的现象出现了，printf("%s", s2);明明在fork之前就已经完成了，为什么会输出两次？

在printf("%s", s2);中，我特地没有换行，因为向显示器输出时，换行会刷新缓冲区，而当前缓冲区还没有被刷新。于是hello printf!被保留在了缓冲区。

当子进程被创建时，会继承父进程的数据和代码，stdin的FILE指向的缓冲区，也会被继承。当父子进程分别指向printf("\n");时，刷新各自的缓冲区，于是分别输出了一句hello printf!。

可以得出的是，在C语言层面确实存在一个用户级缓冲区，这个缓冲区可以被继承。

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