Linux系统文件的基础IO

一、C语言的文件IO操作

二、系统调用的文件IO操作

1.open打开文件

2.close关闭文件

3.write写入文件

4.read读取文件

三、文件描述符

四、文件描述符的分配规则

五、终端文件

六、C语言中的文件IO对比系统调用文件IO

文件I/O（Input/Output，输入/输出）是指计算机程序与文件系统之间的数据交换过程。

文件I/O通常包括以下几种操作：打开文件、读取文件、写入文件、关闭文件、文件定位、文件错误处理

一、C语言的文件IO操作

以w方式打开文件会默认清空文件再写入，以a方式打开文件会在文件末尾追加写入

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
    FILE* fp = fopen("log.txt", "w"); // 打开log.txt文件，不存在就创建
    if (fp == NULL) {
        perror("fopen"); // perror函数会自动根据错误码报告错误
        return 1;
    } else {
        const char* msg = "hello world\n";
        fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp);                                                                                                      
    }
    fclose(fp);
    return 0;
}

二、系统调用的文件IO操作

1.open打开文件

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

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

pathname：要打开或创建的文件名

flags：打开文件的参数选项，用或运算使用多个选项（包含在头文件<fcntl.h>中）

O_RDONLY: 只读打开

O_WRONLY: 只写打开

O_RDWR : 读，写打开

（以上三个常量，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

O_TRUNC：如果文件已存在且成功打开，则将文件长度截断至0（清空文件再写入，如果不带 O_TRUNC选项，文件将被打开但不会自动被截断。这意味着，如果文件已经存在，它的内容不会被清空，文件指针会放在文件的开始位置，接下来的写操作会从文件的开始处覆盖现有数据。）

mode：权限位，要考虑umask权限掩码的存在

返回值：打开成功返回文件描述符，打开失败返回-1

第一个open指令通常用于打开已经存在的文件，第二个open通常用于打开并创建不存在的文件（如果使用第一个open指令打开并创建不存在的文件，该文件的权限将会是乱码）

2.close关闭文件

int close(int fd);

fd：文件描述符

返回值：关闭成功返回0，关闭失败返回-1并可以设置全局变量errno指示错误原因

3.write写入文件

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

fd：文件描述符

buf：要写入数据的缓冲区指针

count：写入数据的字节数

返回值：ssize_t是有符号整型数，写入成功返回写入字节数，写入失败返回-1并可以设置全局变量errno指示错误原因

4.read读取文件

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

fd：文件描述符

buf：指向缓冲区的指针，用于存储从文件中读取的数据

count：要读取的最大字节数

返回值：读取成功返回读取到的字节数，若读取到文件末尾返回0，读取失败返回-1并可以设置全局变量errno指示错误原因

代码演示：

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

int main() {
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666); // 只写方式打开log.txt文件，不存在就创建，并设置文件权限为0666
    if (fd == -1) { // 打开文件失败
        perror("open");
        return 1;
    }

    const char* msg = "hello Linux File\n";                                                                                                      
    write(fd, msg, strlen(msg)); // 写入文件
    close(fd); // 关闭文件
    return 0;
}

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

int main() {
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY); // 只读方式打开文件
    if (fd == -1) { // 打开失败
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buf[1024]; // 用于存储从文件中读取数据的缓冲区
    ssize_t read_bytes = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (read_bytes == -1) { // 读取失败
        perror("read");
        close(fd);
        return 1;
    }
    buf[read_bytes] = '\0'; // 确保读取的数据以空字符结尾
    printf("Read from file: %s\n", buf);
    close(fd);
    return 0;
}

三、文件描述符

当进程打开文件时，操作系统要在内存中创建内核数据结构file来描述被打开的文件，该数据结构中有文件属性，文件内核级缓冲区等

描述进程的内核数据结构task_struct中都有一个指向文件描述符表的指针files，该指针指向一张文件描述符表files_struct，文件描述符表中最重要的部分就是一个指针数组，每一个元素就是一个被打开文件的指针file*，而文件描述符fd就是文件在指针数组中的位置下标。

Linux系统中，每个进程都会默认打开三个文件描述符为0、1、2的文件，分别为标准输入、标准输出、标准错误，对应的物理设备一般为键盘、显示器、显示器

所以我们还可以通过如下的方式进行输入输出：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
    char buf[1024];
    ssize_t read_bytes = read(0, buf, sizeof(buf)); // 从键盘中读取数据
    if (read_bytes == -1) 
    {
        perror("read");
        return -1;
    }
    buf[read_bytes] = '\0';
    write(1, buf, strlen(buf)); // 向显示器写入数据
    write(2, buf, strlen(buf)); // 向显示器写入数据
    return 0;
}

四、文件描述符的分配规则

在文件描述符表files_struct的指针数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。

五、终端文件

创建一个进程，在/proc路径下会有一个与进程pid同名的目录文件来保存进程信息，该目录文件下存在名为fd目录文件，用于存储该进程打开文件的信息

以进程pid为8301的进程为例，在/proc/8301/fd路径下存放着如下信息：链接文件0、1、2分别对应着标准输入、标准输出和标准错误。

这三个文件指向的位置是/dev/pts/1，查看路径/dev/pts发现其中有三个文件属性以c开头的字符设备文件。上述进程默认打开的0、1、2文件指向的就是名为1的字符设备文件。

其实该目录下存放的就是终端文件，终端设备名为0,1的文件，名为ptmx用于创建伪终端主设备和从设备对的特殊文件。

终端文件其实就是Linux系统的终端，我们可以同时打开多个终端，/dev/pts同时也会多出相应的终端文件。既然终端也是一个文件，那么我们就可以从一个终端向另一个终端进行输入

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{   
    //当前终端为1
    int fd = open("/dev/pts/3", O_WRONLY | O_APPEND);//向终端3中输入
    if (fd == -1)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    const char* msg = "hello linux file!";
    write(fd, msg, strlen(msg));
    close(fd);
    return 0;
}

总结：当打开Linux系统时，都会由shell进程打开标准输入，标准输出和标准错误对应的终端文件，后续进程只会shell进程已经打开的终端文件，这样就可以让多个进程都在同一终端输入输出

六、C语言中的文件IO对比系统调用文件IO

C语言中打开文件使用fopen函数，并用FILE*类型接收其返回值。

FILE*是一个指向FILE结构体的指针，该结构体中封装了文件IO的相关的信息，例如文件描述符fd就被封装在其中。因此可以使用FILE*访问文件描述符（C语言中文件描述符叫做_fileno）

#include <stdio.h>
int main()
{
    FILE* fp = fopen("log.txt", "w"); // 以w方式打开文件
    if (fp == NULL)
    {
        perror("fopen");
        return 1;
    }
    printf("fd:%d\n", fp->_fileno); // 查看文件描述符
    fwrite("hello", 1, 5, fp); // 写入文件
    fclose(fp); // 关闭文件
    return 0;
}

C语言程序默认也会打开标准输入stdin、标准输出stdout和标准错误stderr，通过代码查看其对应的文件描述符，发现恰好也是0、1、2

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("stdin->fd:%d\n", stdin->_fileno);
    printf("stdout->fd:%d\n", stdout->_fileno);
    printf("stderr->fd:%d\n", stderr->_fileno);
    return 0;
}