【文件I/O】文件持久化

news2025/1/11 10:01:53

这篇文章详细讲解的是 理解在Linux操作系统中输入/输出（I/O）编程与文件操作的关系。

在计算机编程中，输入/输出编程（I/O 编程） 是一个重要的概念，指的是通过程序与外部世界（如用户输入、文件、设备等）进行数据交换的过程。文件操作是 I/O 编程中最常见的应用场景之一，通过文件操作可以对数据进行持久化存储。

这篇文章也是I/O编程的最为基础的知识，我将会从 I/O 编程、文件的分类、与文件相关的 I/O 操作 和 持久化数据的实现 等方面展开说明。

输入/输出编程的基础

什么是 I/O？

input 输入：将外部数据输入到程序中，例如键盘输入、文件读取、网络数据接收等。
output 输出：将程序数据输出到外部，例如打印到屏幕、写入文件、发送网络数据等。

I/O 的作用

I/O 编程的核心任务是 将程序的操作作用于某种 I/O 对象（如文件、设备、网络接口等）。
文件是最常见的 I/O 对象之一，程序通过文件 I/O 操作实现数据的存储和读取。

I/O 编程中的“文件”

在操作系统中，“文件”是一个广义的概念，指的是可以进行数据存储的抽象对象。
而 I/O编程 中的文件不仅仅指磁盘上的普通文本文件，还包括设备文件、管道文件、网络文件等。

文件的分类（7种文件类型）

在 Linux 操作系统中，文件分为以下几种类型：

文件类型	描述
普通文件 `-`	常见的文本文件、二进制文件、源代码文件等。
目录文件	目录本质上也是一种文件，存储了目录下的文件列表及其元数据。
链接文件	指向另一个文件的引用，可以是软链接（符号链接）或硬链接。
设备文件	表示硬件设备，包括字符设备（如键盘）和块设备（如磁盘）。
管道文件	用于进程间通信的文件，分为命名管道（FIFO）和匿名管道。
套接字文件	用于网络通信的文件，表示网络连接的端点。
内存映射文件	文件与内存直接映射，用于高效的文件读取和写入操作。

文件的广义理解：
- 本质：在 Linux 中，所有可以进行 I/O 操作的对象都可以看作文件。
- 统一接口：文件、设备、网络等都可以通过统一的文件描述符和 I/O 系统调用进行访问。

对文件进行 I/O 操作

文件 I/O 的概念：
文件 I/O 指的是通过编程对文件进行 读（Read） 和 写（Write） 的操作。通过文件 I/O，可以实现数据的持久化存储、文件内容的处理等。

文件 I/O 的基本操作
文件操作通常包括以下步骤：

打开文件：通过 open() 或 fopen() 打开文件，获取文件描述符或文件指针。
读写文件：
- 读取文件：通过 read() 或 fread() 从文件中获取数据。
- 写入文件：通过 write() 或 fwrite() 将数据写入文件。
关闭文件：通过 close() 或 fclose() 关闭文件，释放资源。

文件操作的示例
使用 C 语言实现文件 I/O 操作：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 打开文件进行写入
    FILE *file = fopen("example.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }

    // 写入数据
    fprintf(file, "Hello, world!\n");
    fprintf(file, "This is a test file.\n");

    // 关闭文件
    fclose(file);

    // 打开文件进行读取
    file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }

    // 读取数据
    char buffer[256];
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
        printf("%s", buffer);
    }

    // 关闭文件
    fclose(file);
    return 0;
}

文件 I/O 的作用：
- 数据存储：将程序运行过程中产生的数据存储到文件中，便于后续使用。
- 数据读取：从外部文件中加载数据到程序中，作为程序的输入。
- 数据共享：通过文件在不同程序间传递数据。

将数据保留（文件持久化）

什么是持久化？
持久化是指 将程序中的数据保存到外部存储介质（如磁盘文件）中，以便程序退出后数据仍然可以被访问。

文件 I/O 和数据持久化的关系：

文件 I/O 是实现数据持久化的主要手段。
程序通过文件操作将数据写入文件，实现对数据的长期保存。

示例程序：将用户输入的数据保留到文件
任务：读取用户输入并将其保存到文件中：

#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开文件进行追加写入
    FILE *file = fopen("log.txt", "a");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }

    // 获取用户输入并写入文件
    char input[256];
    printf("Enter some text: ");
    fgets(input, sizeof(input), stdin);
    fprintf(file, "%s", input);

    // 关闭文件
    fclose(file);

    printf("Data saved to log.txt\n");
    return 0;
}

输入/输出编程的本质
I/O 编程的目标是将程序的 I/O 功能作用于某种 I/O 对象（如文件）。
文件是 I/O 编程的核心对象之一，通过文件操作可以实现数据的持久化和共享。

文件的种类
文件在 Linux 中有广义的定义，包括普通文件、设备文件、管道文件等。

文件操作的意义
文件 I/O 编程 是通过系统调用或库函数对文件进行读取和写入操作。
文件 I/O 是实现数据持久化的主要手段，可以将程序运行时的数据保留到文件中。

文件 I/O 编程的应用场景
数据存储：如配置文件、数据库文件。
数据读取：如加载程序输入、日志文件读取。
数据共享：如通过文件在程序之间传递信息。