【Linux】基础IO——库函数与系统调用的关系

news2024/9/29 13:24:58

目录

  • 引言
  • 1.文件操作语言方案（C的文件操作接口-库函数）
    • 打开文件、关闭文件——fopen、fclose
      • 打开文件的模式
    • 写入——fput、printf
    • 读取——fgets
  • 2.文件操作系统方案（系统的文件操作接口-系统调用）
    • 打开文件、关闭文件——open、close
      • open的参数flags的理解
      • open的参数flag的学习
    • 写入——write
    • 读取——read
    • 几个系统调用的使用
  • 3.库函数与系统调用的关系

引言

打开文件的本质，就是将该文件的属性加载到内存中，OS内部存在大量被打开的文件，所以就需要管理这些文件：
每打开一个文件，都要在OS内创建该文件对象的struct结构体，然后将这些struct file用某种数据结构链接起来，所以在OS内部对文件的管理就转化成了对链表的增删查改。
在这里插入图片描述

文件可以分为两大类：

  1. 磁盘文件：没有被打开，存储在磁盘上
  2. 被打开的文件：被打开了，在内存中创建了对应的数据结构管理文件的属性

文件是被OS打开的，谁让OS打开？
——进程，所以我们所学习的都是 进程 与 被打开文件 的关系（struct task_struct 与 struct file）；

1.文件操作语言方案（C的文件操作接口-库函数）

要对文件进行操作，首先要打开文件，打开操作完成后也要关闭文件，下面复习两个接口，fopen与fclose；

打开文件、关闭文件——fopen、fclose

打开文件——fopen
头文件：stdio.h
函数：FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
参数：
path——打开文件的路径；
mode——打开文件的模式；
返回值：成功返回FILE的指针，失败返回NULL；
若失败会设置错误码errno（表明出错的原因），可以通过perror接收错误码，将错误码转化成错误码描述打印错误原因，也可以通过strerror将错误码转化成错误码字符串；

关闭文件——fclose
头文件：stdio.h
函数：int fclose(FILE *fp);
参数：pf：指向被打开的文件
返回值：成功返回0，失败返回EOF，并设置错误码errno。

打开文件的模式

打开模式含义若指定文件不存在
“r”（只读）为了输入数据，打开一个已经存在的文本文件出错
“w”（只写）为了输出数据，打开一个文本文件创建新文件
“a”（追加）向文本文件尾添加数据创建新文件
“rb”（只读）为了输入数据，打开一个二进制文件出错
“wb”（只写）为了输出数据，打开一个二进制文件创建新文件
“ab”（追加）向一个二进制文件尾添加数据出错
“r+”（读写）为了读和写，打开一个文本文件出错
“w+”（读写）为了读和写，建立一个新的文件创建新文件
“a+”（读写）打开一个文件，在文件尾进行读写创建新文件
“rb+”（读写）为了读和写打开一个二进制文件出错
“wb+”（读写）为了读和写，新建一个新的二进制文件创建新文件
“ab+”（读写）打开一个二进制文件，在文件尾进行读和写创建新文件

解析：
如果fopen以w模式打开文件，写入的规则是：
1.首先将文件清空
2.从重头重新写入
（若只打开文件，不写入就关闭，文件也会被清空）

如果fopen以a模式打开文件，写入的规则是：
不会清空文件，每次写入都是从文件的结尾写入。

写入——fput、printf

1.fputs
打开文件后还需要进行写入操作，写入操作接口有很多，这里复习fputs。

写入——fputs
头文件：stdio.h
函数：int fputs(const char *s, FILE *stream);
参数：将字符串s写入到文件流stream当中。
返回值：成功返回非负数（写入了多少个字符），错误返回EOF；

以一段最简单的代码为例：在当前目录下创建log.txt文件，并写入5条hello world！。

//fputs文件写入
#include <stdio.h>

#define LOG "log.txt"

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

    const char *str = "hello world!\n";
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        fputs(str, fp);
        cnt--;
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

2.printf、fprintf、sprintf、snprintf

头文件：stdio.h
函数：

int printf(const char *format, ...);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int sprintf(char *str, const char *format, ...);
int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);

解析：
printf——默认向显示器打印，很熟悉，不解析。（显示器也是文件，对应标准输出流stdout）
fprintf——指定文件流stream，向指定文件打印；第二个参数format是格式化控制（与printf一样）
sprintf——向缓冲区打印；可以以格式化流的方式，将格式化信息输出到自定义的缓冲区str里。
snprintf——与sprintf一样，多了一个参数size是缓冲区的大小。

注：
Linux下一切皆文件，显示器也是一个文件，所以：若fprintf(stdout, str);则与printf(str);一样向显示器打印。

读取——fgets

fgets

头文件：stdio.h
函数：char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
参数：从特定的文件流stream中，按行读取对应的内容，将读到的内容放入缓冲区s中，size是缓冲区的大小
返回值：成功返回字符串的起始地址，失败返回NULL。

2.文件操作系统方案（系统的文件操作接口-系统调用）

打开文件、关闭文件——open、close

open：

头文件：
sys/types.h
sys/stat.h
fcntl.h
函数：
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
参数：
pathname——要打开的文件路径+文件名
flags——打开文件对应的选项（比如读、写）
mode——打开文件的权限（文件的权限，rwx，比如0666）
返回值：
成功返回文件描述符（file descriptor），失败返回-1；

close：

头文件：
unistd.h
函数：
int close(int fd);

open的参数flags的理解

1.系统是如何给一个函数传递多个标志位的？
——比如想给一个函数传递多个标志位，肯定不能设置多个形参比如int func(int flag1, int flag2, int flag3)。又因为传入的标志位flag是int型，有32个比特位，我们可以用1个比特位表示1个标志位，一个整数就可以同时传递32个标志位了——位图。
一般就是使用下面的这种方式传递标志位：

#define ONE 0x1
#define TWO 0x2
#define THREE 0x4
#define FOUR 0x8
#define FIVE 0x10

void Print(int flag)
{
    if(flag & ONE) printf("ONE\n");
    if(flag & TWO) printf("TWO\n");
    if(flag & THREE) printf("THREE\n");
    if(flag & FOUR) printf("FOUR\n");
    if(flag & FIVE) printf("FIVE\n");
}

int main()
{
	//测试
    Print(ONE);
    Print(TWO);
    Print(THREE);
    Print(FOUR);
    Print(FIVE);
    printf("----------\n");
    Print(ONE|TWO);
    printf("----------\n");
    Print(ONE|TWO|THREE);
    printf("----------\n");
    return 0;
}

结果：
在这里插入图片描述

而我们在查看open的参数flag的时候，发现有很多参数（如下图所示，没有截全），这些其实就是宏值，每个宏对应的数字比特位是不重叠的，每个对应一个选项，所以学习时学习每个的含义就可以了。
在这里插入图片描述

open的参数flag的学习

1.O_CREAT——文件存在就打开，不存在就创建
（一般创建新文件不使用两个参数的open，因为权限会乱码，要使用三个参数的open函数，指定文件权限）
2.O_WRONLY——只写
（O_WRONLY | O_CREAT默认不会对原始文件内容做清空！重复写入的时候会很乱，可以自己尝试）
3.O_TRUNC——对文件内容做清空
4.O_APPEND——追加（没有写入，只是追加）
（追加一般不和清空一起使用，因为逻辑上就有矛盾）
5.O_RDONLY——只读
（读取是对一次已经存在的文件读取，所以使用两个参数的open，不用指定文件权限）

使用例：

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

#define LOG "log.txt"

int main()
{
    int fd = open(LOG, O_CREAT | O_WRONLY, 0666);
    if(fd == -1)
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }
    else
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }
    close(fd);
}

在这里插入图片描述
此时发现生成的文件权限不是指定的666，而是664，这是为什么？
——因为存在权限掩码umask，umask的计算：最终权限 = 起始权限 & (~umask)，普通用户的umask为0002，所以生成的权限是664。

那么我们要如何不让权限掩码影响我们，直接生成指定权限的文件呢？
——调用umask函数，可以设定当前进程启动时，属于自己的umask。
当该进程生成文件的时候，umask用系统的还是该进程的？
——就近原则，离谁更近就用谁的，所以肯定是用当前进程的umask。

umake：设定进程的权限掩码
头文件：
sys/types.h
sys/stat.h
函数：
mode_t umask(mode_t mask);
参数：想要设定的权限掩码

//头文件略
int main()
{
    umask(0);
    int fd = open(LOG, O_CREAT | O_WRONLY, 0666);
    if(fd == -1)
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }
    else
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }
    close(fd);
    return 0;
}

此时发现生成的文件权限掩码与自己设定的一致。
在这里插入图片描述

写入——write

头文件：unistd.h
函数：ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数：
fd——文件描述符（open的返回值）
buf——缓冲区
count——写入的字符数
将缓冲区中count大小的数据写入到fd中。
返回值：实际写了多少字节，失败返回-1；

读取——read

头文件：unistd.h
函数：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
参数：
fd——文件描述符（open的返回值）
buf——缓冲区
count——空间的大小（字节数）
从文件描述符fd中，将数据按数据块的方式读取出来，读取到buf中，读取conut个字节
返回值：读取了多少字节，失败返回-1；

几个系统调用的使用

使用1：
O_WRONLY只写入

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

#define LOG "log.txt"

int main()
{
    umask(0);
    int fd = open(LOG, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);//打开/创建文件+只写+清空
    if(fd == -1)
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }
    else
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }

    const char *str = "hello world!";
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        char line[128];
        snprintf(line, sizeof(line), "%s, %d\n", str, cnt);
        write(fd, line, strlen(line));//strlen不计算\0，但是这里不+1，因为\0是C语言的规定，不是文件的规定！！
        cnt--;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

结果1：
在这里插入图片描述

使用2：
O_WRONLY | O_APPEND追加写入（不带清空）

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

#define LOG "log.txt"

int main()
{
    umask(0);
    int fd = open(LOG, O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);//追加写入
    //int fd = open(LOG, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);//打开/创建文件+只写+清空
    if(fd == -1)
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }
    else
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }

    const char *str = "hello world!";
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        char line[128];
        snprintf(line, sizeof(line), "%s, %d\n", str, cnt);
        write(fd, line, strlen(line));//strlen不计算\0，但是这里不+1，因为\0是C语言的规定，不是文件的规定！！
        cnt--;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

结果2：
运行多次，可以发现是追加写入。
在这里插入图片描述

使用3：O_RDONLY读取
（这里读取的就是使用2中生成的文件）

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

#define LOG "log.txt"

int main()
{
    umask(0);
    int fd = open(LOG, O_RDONLY);//只读
    if(fd == -1)
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }
    else
    {
        printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }

    char buffer[1024];
	//sizeof会计算\0,IO操作一定要注意\0的问题！记得-1
    ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer)-1);
    if(n > 0)
    {
        buffer[n] = '\0';
        printf("%s", buffer);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

结果3：
读取成功（我们这里是一个一个读取的，不是和C接口一样按行读取，要实现需要精细化处理）
在这里插入图片描述

3.库函数与系统调用的关系

C语言的接口（库函数）一定调用了系统调用接口，是上下层关系。

在这里插入图片描述
程序员与系统调用接口的关系：
我们平时使用的C、C++库都是对系统调用的封装！

而函数库也是人写的，他们与我们同样不可能绕过OS来对硬件做操作，同时也无法直接操作操作系统，所以只能通过系统调用的方式来操作硬件设备。
在这里插入图片描述
同时其他所有语言都是一样的，都要调用这些系统调用接口，只是封装的形式不同！
在这里插入图片描述

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