Linux | 探究C语言文件接口与Linux系统文件接口的区别与联系 | fopen和open的区别与联系

news2025/1/19 3:29:25

什么是尘土？从大地之肺发出的一声叹息。 - 《阿多尼斯诗集》(阿多尼斯)

2024.8.23

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1、C语言IO接口

示例代码：使用 fopen 和 fclose 读写文件

示例1：通过write写文件

示例2：通过read写文件

C语言的标准流：stdin、stdout和stderr

stdin (标准输入流)

stdout (标准输出流)

stderr (标准错误流)

标准流总结：

示例代码：使用标准流与外部设备进行设备交互

2、Linux系统IO接口与库函数

系统IO接口介绍：open

参数说明

返回值

注意事项

示例代码：使用系统调用进行文件操作

示例1：通过系统调用接口write写文件

示例2：用过系统调用接口read读文件

3、C语言IO接口和Linux系统IO接口的区别与联系

区别

抽象级别：

可移植性：

功能丰富性：

联系

封装关系：

共同目标：

互操作性：

文件描述符：

底层支持：

在C语言编程中，文件IO操作是基础而重要的部分。通过文件IO，程序能够读取外部数据或将结果持久化存储。

1、C语言IO接口

C语言提供了丰富的文件操作API，基于标准库中的 <stdio.h> 头文件。最常用的文件操作包括打开、读取、写入、关闭文件等。

示例代码：使用 fopen 和 fclose 读写文件
示例1：通过write写文件
#include<stdio.h>
#include<string.h>
// 通过write写文件
int main()
{
  FILE* fp = fopen("test.txt", "a");
  if(!fp)
  {
    printf("file open fail\n");
    return -1;
  }

  const char* msg = "hello world\n";
  int len = strlen(msg);
  int count = 10;
  while(count--)
  {
    fwrite(msg, 1, len, fp);
  }

  fclose(fp);

  return 0;
}
示例2：通过read写文件
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#define MAX 1024
// 通过read写文件
int main()
{
  FILE* fp = fopen("test.txt", "r");
  if(!fp)
  {
    printf("[error] file open fail\n");
    return -1;
  }
  int cnt = 0;
  char buf[MAX];
  const char* msg = "hello world\n";
  while(1)
  {
    cnt++;
    if(feof(fp))
    {
      break;
    }
    printf("cnt -> %d\n",cnt);
    size_t size = fread(buf, 1, strlen(msg), fp);
    printf("%s\n", buf);
  }
  fclose(fp); 
  
  return 0;
}

C语言的标准流：stdin、stdout和stderr
stdin (标准输入流)
  • 类型：FILE*
  • 作用：用于从键盘或另一个输入设备读取数据。
  • 文件指针：通常指向文件描述符 0。
stdout (标准输出流)
  • 类型：FILE*
  • 作用：用于向控制台或终端输出数据。
  • 文件指针：通常指向文件描述符 1。
stderr (标准错误流)
  • 类型：FILE*
  • 作用：用于向控制台或终端输出错误信息。与 stdout 不同，stderr 通常用于输出错误或诊断信息，即使程序的输出被重定向，错误信息仍然会显示在终端上。
  • 文件指针：通常指向文件描述符 2。
标准流总结：
  • 全局性：在任何C程序中，无需打开即可使用。
  • 缓冲：stdout 和 stderr 通常具有不同的缓冲行为。stdout 可能是行缓冲或全缓冲，而 stderr 通常是无缓冲的。也就是说，stdout 可能不会立即输出内容，但 stderr 是为了快速错误报告而设计的，通常会立即输出。
  • 重定向：可以通过简单的重定向操作改变它们的输出目标，例如在 shell 中使用 > 或 2> 将输出重定向到文件。
  • 可以通过 fileno 函数获取 FILE* 指针对应的文件描述符，例如 fileno(stdin) 将返回 0。
  • 在多线程程序中，stdout 和 stderr 不是线程安全的，但 stderr 在写入时通常会被锁定以避免与其他线程冲突。
示例代码：使用标准流与外部设备进行设备交互
#include <stdio.h>

int main() {
    char buffer[256];

    // 使用 stdin 读取键盘数据
    printf("Enter some text: ");
    fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);

    // 使用 stdout 向显示器输出数据
    fprintf(stdout, "You entered: %s\n", buffer);

    // 使用 stderr 向显示器输出错误信息
    fprintf(stderr, "This is an error message.\n");

    return 0;
}

2、Linux系统IO接口与库函数

系统调用是操作系统提供给用户程序的接口，而库函数则是对这些系统调用的封装，使得程序员可以使用更高级、更易用的API。

系统IO接口介绍：open

在Linux系统中，open 系统调用是一个用于打开文件或创建新文件的标准函数。它提供了一种底层的方法来操作文件，与C标准库中的 fopen 函数相比，open 函数更接近操作系统层面，允许更细致地控制文件的打开方式和属性。

#include <sys/types.h>  // 包含系统类型定义
#include <sys/stat.h>   // 包含文件状态结构定义
#include <fcntl.h>      // 包含文件控制选项定义

int open(const char *pathname, int flags, ... /* mode_t mode */);
参数说明
  1. pathname：这是一个指向以null结尾的字符串的指针，表示要打开或创建的文件的路径。
  2. flags：这是一个整数，用于指定文件打开的各种选项和模式。可以是以下宏的组合：
    • O_RDONLY：以只读方式打开文件。
    • O_WRONLY：以只写方式打开文件。
    • O_RDWR：以读写方式打开文件。
    • O_CREAT：如果文件不存在，创建新文件。
    • O_EXCL：与 O_CREAT 一起使用时，如果文件已存在，则 open 调用失败。
    • O_TRUNC：如果文件存在，将其截断为零长度。
    • O_APPEND：所有写操作都追加到文件末尾，忽略 lseek 或 llseek 设置的文件偏移量。
    • 等等，还有其他标志位用于更特殊的用途。
  3. mode（可选）：当使用 O_CREAT 标志时，这个参数指定新创建文件的权限模式。如果不提供，则默认权限由进程的 umask 值决定（就近原则）。
返回值
  • 成功时，open 函数返回一个非负的文件描述符（fd），用于在后续操作中标识打开的文件。
  • 失败时，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。
注意事项
  • open 函数返回的文件描述符（fd）可以用于后续的 read、write、lseek 等系统调用。
  • 使用 open 打开的文件应该在不再需要时使用 close 函数关闭，以释放系统资源。
  • open 函数支持的 flags 标志位非常灵活，可以根据需要组合使用不同的标志来控制文件的打开方式。
  • 与 fopen 不同，open 没有提供缓冲机制。如果需要缓冲，可以使用标准IO库中的缓冲函数，或者手动实现缓冲逻辑。

write、read、close和C语言接口类似 不多介绍啦~

示例代码：使用系统调用进行文件操作
示例1：通过系统调用接口write写文件
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 设置文件的默认权限掩码，创建文件时忽略进程的umask设置
    umask(0);

    // 打开文件，O_WRONLY 只写模式，O_CREAT 如果文件不存在则创建，0644 是文件的默认权限
    int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 定义要写入的消息和次数
    int count = 5;
    const char *msg = "hello bit!\n";
    int len = strlen(msg);

    // 循环写入消息
    while (count--) {
        // write 系统调用，将 msg 缓冲区中 len 大小的数据写入到文件描述符 fd 指向的文件
        // 返回值是实际写入的字节数
        ssize_t bytes_written = write(fd, msg, len);
        if (bytes_written < 0) {
            perror("write");
            close(fd);
            return 1;
        }
    }

    // 关闭文件描述符
    close(fd);

    return 0;
}
示例2：用过系统调用接口read读文件
#include <stdio.h>      // 包含标准输入输出库
#include <sys/types.h>  // 包含系统类型定义
#include <sys/stat.h>   // 包含文件状态结构定义
#include <fcntl.h>      // 包含文件控制选项定义
#include <unistd.h>     // 包含Unix标准函数定义，如read和close
#include <string.h>     // 包含字符串函数定义

int main() {
    // 尝试以只读方式打开文件"myfile"
    int fd = open("myfile", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        // 如果打开失败，打印错误信息并退出程序
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 定义要读取的字符串长度，这里假设与写入时相同
    const char *msg = "hello bit!\n";
    size_t msg_len = strlen(msg);
    char buf[1024]; // 定义一个缓冲区用于存储读取的数据

    // 使用循环来读取文件，直到文件结束
    while (1) {
        // 调用read系统调用尝试从文件描述符fd中读取msg_len长度的数据到缓冲区buf
        ssize_t s = read(fd, buf, msg_len);
        if (s > 0) {
            // 如果读取成功，打印缓冲区的内容
            printf("%s", buf);
        } else {
            // 如果读取到文件末尾或发生错误，退出循环
            break;
        }
    }

    // 关闭文件描述符
    close(fd);

    return 0; // 正常退出程序
}

3、C语言IO接口和Linux系统IO接口的区别与联系

C语言IO接口和Linux系统IO接口是两个层面的抽象，它们之间存在明显的区别和紧密的联系：

区别
抽象级别：
    • C语言IO接口（如 fopen、fclose、fread、fwrite 等）是C标准库提供的功能，它们是对底层系统IO操作的高层次抽象。
    • Linux系统IO接口（如 open、close、read、write 等）是直接由操作系统内核提供的系统调用，提供了对硬件的直接操作能力。
可移植性：
    • C语言IO接口具有良好的可移植性，因为它们由编译器和标准库实现，可以在不同的操作系统上运行。
    • Linux系统IO接口是特定于操作系统的，只能在支持这些系统调用的系统上使用。
功能丰富性：
    • C语言IO接口提供了更多格式化和方便的函数，如 fprintf、fgets 等，简化了编程。
    • Linux系统IO接口提供了基础的读写操作，但通常需要程序员进行更多的底层管理。
联系
封装关系：
    • C语言IO接口实际上是对Linux系统IO接口的封装。例如，当你使用 fopen 打开一个文件时，C库内部会使用 open 系统调用来获取文件描述符。
共同目标：
    • 两者都旨在提供对文件和输入输出流的操作能力，尽管抽象级别不同。
互操作性：
    • 程序员可以在使用C语言IO接口的同时，通过特定的函数（如 fileno）获取到底层的文件描述符，并使用Linux系统IO接口进行操作。
文件描述符：
    • 无论是使用C语言IO接口还是Linux系统IO接口，最终都可能与文件描述符（fd）打交道。例如，fopen 返回的 FILE* 类型内部包含了一个文件描述符。
底层支持：
    • C语言IO接口的实现依赖于操作系统提供的底层支持，如Linux的系统调用来完成实际的文件操作。

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