【Linux-基础IO】C语言文件接口回顾 系统文件概念及接口

news2024/9/22 5:00:19

目录

一、C语言文件接口回顾

C语言基础知识

C++中文件操作示例

二、系统文件概念及接口

重定向基本理解的回顾

文件的基本概念

系统调用接口

open

read

write

close

lseek

什么是当前路径


 

一、C语言文件接口回顾

引言:我们并不理解文件!从语言角度(绝对不可能理解)。我们要进行文件操作,前提是我们的程序跑起来了。文件的打开和关闭,是CPU在执行我们的代码

C语言基础知识

几个函数:

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);` 

fopen是C语言标准库函数,用于打开一个文件并返回一个文件指针以便进行读写操作。如果文件打开成功,它会返回一个指向 FILE 类型的指针,该指针后续可以用于其他文件操作函数。如果打开失败,则返回 NULL

其中:

  • const char *path:这是一个字符串,表示要打开的文件的路径名。可以是相对路径或绝对路径。

  • const char *mode:这也是一个字符串,表示打开文件的模式,即如何使用文件

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

fread 函数是 C 标准库中的一个函数,用于从指定的流中读取数据到缓冲区中。该函数同样定义在 stdio.h 头文件中。fread 主要用于二进制输入操作。fread 函数返回成功读取的元素个数,这个数可能小于 nmemb,如果遇到错误或文件末尾。如果文件末尾在读取任何字节之前到达,fread 将返回 0。

其中:

  • ptr:指向内存块的指针,该内存块至少要有 size * nmemb 字节的大小。函数从流中读取数据到这个内存块中。

  • size:要读取的每个元素的大小,以字节为单位。

  • nmemb:要读取的元素个数,每个元素的大小为 size 字节。

  • stream:指向 FILE 对象的指针,该对象指定了输入流。

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

fwrite 函数是 C 标准库中的一个函数,用于将数据写入到指定的流中。这个函数也是定义在 stdio.h 头文件中。fwrite 主要用于执行二进制输出操作。fwrite 函数返回成功写入的元素个数,这个数可能小于 nmemb,如果遇到写入错误。如果成功写入 nmemb 个元素,则返回值等于 nmemb

其中:

  • ptr:指向要写入数据的内存块的指针。

  • size:要写入的每个元素的大小,以字节为单位。

  • nmemb:要写入的元素个数,每个元素的大小为 size 字节。

  • stream:指向 FILE 对象的指针,该对象指定了输出流

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

fprintf 是 C 标准库中的一个函数,用于将格式化的数据写入到指定的流(通常是文件流)。这个函数与 printf 类似,但是 fprintf 允许你指定写入数据的流,而 printf 默认写入到标准输出(通常是控制台)。如果成功,fprintf 返回写入的字符数。如果发生错误,fprintf 返回一个负数。

其中

  • stream:指向 FILE 对象的指针,该对象标识了要写入数据的流。

  • format:指向一个以空字符结尾的字符串,该字符串包含格式规范,用于指定如何写入后续参数。

  • ...:可变数量的参数,它们将被格式化并写入到流中。

int fclose(FILE *stream);

fclose 是 C 标准库中的一个函数,用于关闭由 fopenfreopen 或其他文件打开函数创建的文件流。关闭文件是非常重要的,因为它会释放与文件流关联的所有内部缓冲区,并且确保所有写入的数据都已经被正确地刷新到磁盘上。

其中:

  • 如果文件成功关闭,fclose 返回 0

  • 如果在关闭文件时发生错误,fclose 返回 EOF(通常定义为 -1)。

文件打开方式:

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几个例子:

【示例1】

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

  fprintf(fp, "helloworld, %d, %s, %lf\n", 10, "wuxu", 3.14);

  fclose(fp);
  return 0;
}

执行结果:

[wuxu@Nanyi lesson18]$ ls
makefile  mytest  test1.c
[wuxu@Nanyi lesson18]$ ./mytest
[wuxu@Nanyi lesson18]$ ls
log.txt  makefile  mytest  test1.c
[wuxu@Nanyi lesson18]$ cat log.t

可以发现,我们以写的方式打开log.txt,我们原先并没有log.txt,是“w”的方式,创建了一个log.txt 并向内格式化写入内容

如果我们修改一下 main函数里的格式化输出,再进行执行

将代码修改为

 fprintf(fp, "helloworld, %d, %s, %d\n", 10, "wuxu", 666);   

699b7088fc6f425ab601a1e74e14c543.png

可以发现:原文件内容被内容完全替代,因此我们对于“w”有个结论

  1. 如果文件不存在,就在当前路径下,新建指定的文件

  2. 默认打开文件的时候,就会先把目标文件清空

如果我们想追加对文件进行写入就需要讲模式换为“a”模式

C++中文件操作示例

#include <iostream>
#include <string>
#include <fstream>

#define FILENAME "log.txt"

int main()
{
    std::ofstream out(FILENAME);
    if(!out.is_open()) return 1;

    std::string message = "hello C++\n";
    out.write(message.c_str(), message.size());

    out.close();

    return 0;
}

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二、系统文件概念及接口

重定向基本理解的回顾

我们第一次理解重定向是在 echo命令上理解的,echo 命令本身是向显示器进行输出

[wuxu@Nanyi lesson18]$ echo "hello I am echo"
hello I am echo

我们也可以使用echo命令,向指定文件进行写入 

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我们也可以使用echo命令,向文件进行追加写入,也就是追加重定向

ae950d47677c4aabb6704fcfdc93a1c7.png 

那么我们也就发现 > 相当于 "w" , >> 相当于 “a“,如果是的话,我们也可以使用 > 或 >> 进行创建文件

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所以我们也就发现:输出重定向一定是文件操作

文件的基本概念

当我们使用ls-l查看文件信息时,会显示文件的类型、权限、引用计数、所有者、所属组、大小、文件最新修改时间等信息,这些都是文件的属性

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由此我们可以知道:文件 = 内容+属性

 

文件被打开,需要先被加载到内存。由于内存空间有限,不可能将所有的文件全部打开,所以文件可以分为已被打开文件,和未打开文件。

打开文件:本质是进程打开文件。文件没有打开的时候,文件在磁盘中;

一个进程可以打开很多文件,一个系统中可以存在很多进程;所以很多情况下,在操作系统内部,一定存在大量被打开的文件,那么操作系统是如何对这些文件进行管理呢?--->**先描述,在组织

系统调用接口

文件是存在磁盘中的,由冯诺伊曼体系我们可知,磁盘是一个外设,外设是一个硬件。我们向文件中写入,本质是向硬件中写入;但是用户没有权利直接写入,由于操作系统是硬件的管理着,那我们就可以通过操作系统给我们提供的系统调用(OS不相信任何人)来访问文件

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下面是系统调用接口的函数,我们来一一介绍使用,看看与C/C++文件操作有什么共同点与不同点

open

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其中:

  • pathname:指向一个以空字符结尾的字符串,该字符串指定了要打开或创建的文件的路径名。

  • flags:指定文件的打开模式。这个参数是以下选项中的一个或多个通过按位或操作(|)组合起来的值:

    • O_RDONLY: 只读打开。

    • O_WRONLY: 只写打开。

    • O_RDWR: 读写打开。

    • O_CREAT: 如果文件不存在,则创建它。需要与 mode 参数一起使用。

    • O_EXCL: 与 O_CREAT 一起使用,确保调用 open 时创建文件。如果文件已存在,则返回错误。

    • O_TRUNC: 如果文件已存在且为写入或读写打开,则将其长度截断为 0。

    • O_APPEND: 追加模式。在每次写入时,数据会被添加到文件的末尾。

    • 其他标志请参考 open 的手册页。

  • mode:当创建新文件时,这个参数指定了文件的模式(权限)。它是一个八进制数,通常由 umask 的值与要求的权限按位取反后相与得到。常见的权限值包括:

    • S_IRUSR: 用户读权限。

    • S_IWUSR: 用户写权限。

    • S_IXUSR: 用户执行权限。

    • S_IRGRP, S_IWGRP, S_IXGRP: 分别对应组成员的读、写、执行权限。

    • S_IROTH, S_IWOTH, S_IXOTH: 分别对应其他用户的读、写、执行权限。

    • 也可以使用数字来表示权限

返回值:

  • 成功时,open 返回一个最小的非负整数,称为文件描述符,用于后续的读写操作。

  • 出错时,open 返回 -1,并设置 errno 来指示错误。

flag选项描述
O_RDONLY只读
O_WRONLY只写
O_CREAT不存在就创建
O_TRUNC清空文件
O_APPEND追加写入

这些选项都是大写,我们在C/C++中什么情况下用上大写?没错就是宏,这里的flag选项与宏并未区别,我们先自己用宏来创建一个传参示例

测试内容:

#include <stdio.h>
#define ONE   1      // 1 0000 0001
#define TWO   (1<<1) // 2 0000 0010
#define THREE (1<<2) // 4 0000 0100
#define FOUR  (1<<3) // 8 0000 1000

void print(int flag)
{
    if(flag&ONE)
        printf("one\n"); //替换成其他功能
    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");

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

    return 0;
}

输出结果:

2e89f5311332447daccc36ddd96f02ac.png

因此我们发现可以定制宏,通过传入不同的宏,实现定制的不同功能。它的原理底层是位图;一个int类型包含32个比特位,如果我们让低位的 1 表示ONE,次低位的 1 表示 TWO......

30560bf199f04dbbb34df9c09a2eb96e.png 

若此时要实现ONE、TWO、THREE,只需要对这三个数做或位运算ONE|TWO|THREE则会得到一个值为00000000 00000000 00000000 00011010的flags。将它传递给处理函数中,处理函数会将flag与ONE、TWO、THREE这三个数挨个做按位与,如果按位与出来的结果不为0,则表示该选项会被选择

而我们系统调用的flags也是一样的道理

接下来让我们用系统调用接口来操作文件

【示例】

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

int main(){
  //system call
    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;
}

 输出结果:

c6ee621585c34c46b075227e41a4c7df.png

 

【问题1】我们定制的权限是666 ,为什么这里是 662?是umask的原因

PS:我们使用系统接口必须要指明权限,否则创建的文件权限是随机的

在 POSIX 兼容的操作系统中,umask 是一个系统调用,用于设置进程的文件模式创建掩码(file mode creation mask)。这个掩码定义了新创建文件的默认权限,通过从权限掩码中“掩蔽”掉一些权限位来限制新文件的权限。我们来查看一下系统的umask

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接下来我们修改一下umask,看文件权限能不能达到我们想要的结果

在test2.c 加入umask(0)即可

测试结果:

9e83bce22bf845f194788ce4630dcc3c.png

 

【问题2】open系统调用函数返回的数字是什么?这个输出结果有什么含义?

open打开文件后会返回一个数字,这个数字被称为文件描述符,我们一会在下文详细讲解

read

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要从某个文件中读取内容时,第一个参数需要传入该文件的文件描述符,第二个参数需要传入接收文件内容的缓冲区首地址,第三个参数表示要从文件中读取多少字节的内容。

下面程序模拟实现了C语言fopen的r(只读)打开模式

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

int main()
{
	int fd = open("./log.txt", O_RDONLY);
	char buffer[1024];
	read(fd, buffer, sizeof(buffer));
	printf("%s", buffer);
	return 0;
}

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write

write 是 POSIX 系统调用之一,用于将数据写入文件描述符指向的文件或设备。这个函数在 C 语言中被广泛使用,尤其是在 UNIX、Linux 和其他 POSIX 兼容的操作系统中。

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参数:

  • fd:要写入数据的文件描述符。这个文件描述符可以是 open 系统调用返回的,也可以是标准输入输出错误文件描述符(例如 STDOUT_FILENOSTDERR_FILENO)。

  • buf:指向要写入数据的缓冲区的指针。

  • count:要写入的字节数。

返回值:

  • 成功时,write 返回实际写入的字节数。

  • 出错时,write 返回 -1,并设置 errno 来指示错误。

 

下面程序模拟实现C语言fopen的w(只读)模式打开

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

int main()
{
	int fd = open("./log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
	char* msg = "Have a good day!\n";
	write(fd, msg, strlen(msg));
	return 0;
}

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下面程序模拟实现C语言fopen的a(追加)模式打开

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

int main()
{
	int fd = open("./log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
	char* msg = "Have a good day!\n";
	write(fd, msg, strlen(msg));
	return 0;
}

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close

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传入文件描述符即可关闭对应文件,这里就不掩饰了

lseek

lseek 是 POSIX 系统调用之一,用于设置文件描述符 fd 指向的文件的偏移量。这个函数允许你查询或修改文件流的当前位置,这对于随机访问文件非常有用。

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参数:

  • fd:文件描述符,指向已经打开的文件。

  • offset:偏移量,根据 whence 的值,这个偏移量可以是绝对值,也可以是相对值。

  • whence:用于确定如何解释offset的值。它可以是以下三个常量之一:

    • SEEK_SET: 将偏移量设置为从文件开头算起的绝对位置。

    • SEEK_CUR: 将偏移量设置为相对于当前文件位置的相对位置。

    • SEEK_END: 将偏移量设置为相对于文件末尾的相对位置。

返回值:

  • 成功时,lseek 返回新的文件偏移量。

  • 出错时,lseek 返回 -1,并设置 errno 来指示错误。

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

int main()
{
	int fd = open("./log.txt", O_RDONLY | O_APPEND, 0666);
	char buffer[1024];
	read(fd, buffer, sizeof(buffer));
	printf("%s", buffer);
	//回到文件头再读一遍
	lseek(fd, 0, SEEK_SET);
	read(fd, buffer, sizeof(buffer));
	printf("%s", buffer);
	close(fd);
	return 0;
}

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什么是当前路径

当我们没有指明文件路径,open一个文件时,则open将在当前路径下创建文件那为什么会这个样子呢?

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

int main()
{
	int fd = open("log.txt", O_CREAT);
	close(fd);
	sleep(200);
	return 0;
}

当程序运行起来后,我们可以使用ps ajx | head -1 && ps ajx | grep mytest | grep -v grep 查看运行该程序的进程pid,进入/proc/进程pid目录,可以看到两个链接文件cwd和exe。其中,cwd是程序的工作路径,也就是我们常说的当前路径,而exe是可执行程序的保存位置。

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