Linux系统下的文件操作

news2024/11/28 9:40:06

目录

一、文件理解

二、系统级的文件操作

1、打开open

2、关闭close

3、写入write

4、读取read

三、文件描述符

四、重定向

1、dup2函数

2、追加重定向

3、输入重定向

五、缓冲区

1、缓冲区存在的意义

2、缓冲区的刷新策略

一、文件理解

在Linux中，有一句经典的话叫做：一切皆文件。这句话是站在内核的角度说的，因为在内核中所有的设备（除了网络接口）都一律使用 Linux 独有的虚拟文件系统（VFS）。我们还需要清楚知道这些文件如何和硬件进行交互的。

语音层面的文件操作就是直接使用库函数，而事实上，文件操作是系统层面的问题，像进程管理一样，系统也会通过先描述再组织的方式对文件进行管理和操作。

文件由内容加属性构成。未使用的文件位于磁盘，而使用中的文件属性会被加载到内存。

文件可以同时被多次进行使用，OS为了更好的管理文件，会像进程task_struct 管理进程一样，通过struct file存储文件属性进行管理。struct file结构体包含了文件的各种属性与链接关系。

所以，总的来说，Linux下系统级的文件IO的操作，而C语言中的文件操作是OS与进程之间的交互。

二、系统级的文件操作

1、打开open

首先学习如何直接调用调用系统级函数 open 打开文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
​
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); //可以修改权限

参数解读：

1、open接口的pathname参数表示要打开的文件名，和C语言的fopen一样的，是要带路径的。

2 、flags 参数是打开文件要传递的选项，即 系统传递标记位

3、mode 参数，就是 "文件操作模式" 了。

我们再来看看这个接口的返回值，居然是个 int，而不是我们 fopen 的 FILE* 。

open的返回值是int，返回-1表示error。

1.1 参数二的解读

 O_RDONLY   //只读
 O_WRONLY   //只写
 O_APPEND   //追加
 O_CREAT    //新建
 O_TRUNC    //清空

使用方法：

//三种参数组合，就构成了 fopen 中的 w
  int fd = open(LOG, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);   //权限最好设置
  if(fd == -1)
  {
    perror("open file fail1");
    exit(-1);
  }
  .....
 // int fd=open(LOG,O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND) //对应的是fopen中的a
 // int fd=open(LOG,O_RDONLY)  //对应的是fopen中的r

注意：假若文件不存在，open 中的参数3最好进行设置，否则创建出来的文件权限为随机值

2、关闭close

#include <unistd.h>
​
int close(int fildes);

3、写入write

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h> //write 的头文件
​
#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 32
                                       
int main()                                                              
{             
  //三种参数组合，就构成了 fopen 中的 w
  int fd = open(LOG, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); //权限最好设置
  if(fd == -1)
  {                                                         perror("open file fail1");
    exit(-1);                       
  }           
              
  const char* ps = "Hello World!\n";                    
  int cnt = 5;
  while(cnt--) {
    write(fd, ps, strlen(ps));  //不能将 '\0' 写入文件中
 }
  close(fd);
  return 0;
}

4、读取read

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);

代码如下：

#include <stdio.h>                                                                                #include <stdlib.h>    
#include <sys/types.h>    
#include <sys/stat.h>    
#include <fcntl.h>    
#include <string.h>    
#include <unistd.h> //write 的头文件    
    
    
#define LOG "log.txt" //日志文件    
#define SIZE 1024    
    
int main()    
{    
  int fd = open("file_open.c", O_RDONLY);    
  if(fd == -1)    
  {    
    perror("open file fail1");    
    exit(-1);    
  }    
  int n=100; //读取100个字符    
  char buff[SIZE];    
  int pos=0;    
  while(n--){    
    read(fd,(char*)buff+pos,1);    
    pos++;    
  }    
  printf("%s\n",buff);    
  close(fd);    
  return 0;    
}    

补充：C语言中fseek函数的用法:

功能：根据文件指针的位置和偏移量来定位文件指针。

参数解析： fseek第一个参数为流，第二个参数为偏移量，第三个参数为文件指针定位的位置 /SEEK_SET 以文件开头为中心 SEEK_CUR 文件指针的当前位置为中心 SEEK_END 文件结尾为中心

补充：Linux文件lseek函数的用法：

lseek函数头文件及其使用：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int filedes, off_t offset, int whence) ;

lessk（）函数的参数说明： 第一个参数是文件描述符；第二个参数是偏移量，int型的数，正数是向后偏移，负数向前偏移；第三个参数是有三个选项： 1.SEEK_SET:将文件指针偏移到传入字节数处（文件头开始偏移) 2.SEEK_CUR:将文件指针偏移到当前位置加上传入字节数处；（(当前位置开始偏移) 3.SEEK_END:将文件指针偏移到文件末尾加上传入字节数处（作为拓展作用，必须再执行一次写操作）

补充：文件操作题目详解：

三、文件描述符

咱们都知道在Linux下一切皆文件。固然设备也不例外，若是要对某个设备进行操做，就不得不打开此设备文件，打开文件就会得到该文件的文件描述符fd( file discriptor), 它就是一个很小的整数，每一个进程在PCB(Process Control Block)中保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每一个表项都有一个指向已打开文件的指针。

文件描述符0,1,2的理解：

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
 
int main(void)
{
    int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    } 
 
    printf("fd: %d\n", fd);
 
    close(fd);
}

如果关闭0或2则会发现：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    close(0);
    //close(2);
    int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if(fd < 0){
    perror("open");
    return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
    close(fd);
return 0;
}
​

发现结果是fd: 0 或者fd:2。可见，文件描述符的分配规则：在files_struct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。

那么关闭了1呢，我们会发现输出到显示器上什么都没有，这是因为把stdout关闭了，所以什么都没有了。

四、重定向

使用fflush函数来变出来：

实际上并不是没有，而是没有刷新，用 fflush 刷新缓冲区后，text.txt 内就有内容了。

int main(void)
{
    close(1);
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
 
    fflush(stdout);
 
    close(fd);
}

可以发现，它不往显示器打印内容，而是往文件中打印，方向变了。

再往代码中写上一系列的：

fprintf(stdout, "hello world\n");

可以发现它都是重定向到test.txt文件中去了。

1、dup2函数

首先肯定要man一下dup2函数

int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2 可以让 newfd 拷贝 oldfd，如果需要可以将 newfd 先关闭。

newfd 是 oldfd 的一份拷贝，将后者 (newfd) 的内容写入前者 (oldfd)，最后只保留 oldfd。

至于参数的传递，比如我们要输出重定向 (stdout) 到文件中：

我们要重定向时，本质是将里面的内容做改变，所以是要把 fd 的内容拷贝到 1 中的：

\textrm{oldfd}:\textrm{fd}\leftarrow \textrm{newfd}:1

当我们最后进行输出重定向的时候，所有的内容都和 fd 的内容是一样的了。所以参数在传递时，oldfd 是 fd，所以应该是 dum2(fd, 1);

代码展示：

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h> //perror
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h> //exit
int main(){
  int fd = open("./log.txt",O_CREAT | O_WRONLY |O_TRUNC,0644 );
  if(fd < 0){
    perror("open error:");
    exit(1);
  }
  dup2(fd,1); //本应该输出到1的，输出到了fd中
​
  printf("hello 我是printf,我不再输出到屏幕了，我输出到了log.txt\n");
  fprintf(stdout,"hello 我是fprintf，我不在输出到屏幕了，我输出到了log.txt\n");
  fputs("hello 我是fputs,不再输出到屏幕了，我输出到了log.txt\n",stdout);
  close(fd);
  return 0;
}

2、追加重定向

追加重定向只需要将我们 open 的方式改为 O_APPEND 就行了。

3、输入重定向

现在我们使用输入重新的，说白了就是将 "以前从我们键盘上去读" 改为 "在文件中读"。

代码展示：

int main(void)
{
    // 输入重定向
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 0;
    }
    
    // 将本来从键盘上读 (0)，改为从文件里读（3）
    dup2(fd, 0);
    // 读数据
    char line[64];
    while (fgets(line, sizeof(line),stdin) != NULL) {
        printf("%s\n", line);
    }
 
    fflush(stdout);
    close(fd);
 
    return 0;
}

五、缓冲区

1、缓冲区存在的意义

理性理解：

CPU 计算速度非常快！而磁盘的读取速度相对于 CPU 来说是非常非常慢的，因此需要先将数据写入缓冲区中，依据不同的刷新策略，将数据刷新至内核缓冲区中，供 CPU 进行使用，这样做的是目的是尽可能的提高效率，节省调用者的时间

语言级缓冲区：

首先，我们要知道：printf 内部就是封装了 write！

printf 里打印的内容 "Hello printf" 实际上是在缓冲区里的，printf 不显示的原因是没有带 \n，数据没有被立即刷新，所以 sleep 时 printf 的内容没有被显示出来。

所以 printf 不带 \n，数据没有被立即刷新，原因是因为它有缓冲区，此时如果我们想让他刷新，可以手动加上 fflush(stdout) 刷新一下缓冲区。这个缓冲区一定不在 write 内部，因为如果这个缓冲区是函数内部提供的，那么直接刷新出来了。

所以这个缓冲区它只能是 C 语言提供的，该缓冲区是一个 语言级缓冲区 (语言级别的缓冲区) 。

这就意味着我们曾经谈论的缓冲区，不是内核级别的缓冲区，而是一个语言级别的缓冲区。

看如下代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int main(void)
{
    // 给它们都带上 \n
    printf("Hello printf\n");    // stdout -> 1
    fprintf(stdout, "Hello fprintf!\n");
    fputs("Hello fputs!\n", stdout);
 
    const char* msg = "Hello write\n";
    write(1, msg, strlen(msg));
 
    sleep(5);
 
    return 0;
}

运行结果可以看出可以正常的打印。

再把\0去掉呢？

int main(void)
{
    printf("Hello printf");    // stdout -> 1
    fprintf(stdout, "Hello fprintf!");
    fputs("Hello fputs!", stdout);
 
    const char* msg = "Hello write";
    write(1, msg, strlen(msg));
 
    sleep(5);
 
    return 0;
}

此时结果是只有 write 内容先出，当退出时 printf, fprint, fputs 的东西才显示出来。

然而 write 无论带不带 \n 都会立马刷新，也就是说，只要 printf, fprint, fputs 调了 write 数据就一定显示。

我们继续往下深挖，stdout 的返回值是 FILE，FILE 内部有 struct，封装很多的成员属性，其中就包括 fd，还有该 FILE 对应的语言级缓冲区。

C 库函数 printf, fwrite, fputs... 都会自带缓冲区，但是 write 系统调用没有带缓冲区。

我们现在提及的缓冲区都是用户级别的缓冲区，为提高性能，OS 会提供相关的 内核级缓冲区。

（内核级缓冲区不在本章的探讨范围内，本质我们专注于用户级缓冲区）

库函数在系统调用的上层，是对系统调用做的封装，但是 write 没有缓冲区，这说明了：

该缓冲区是二次加上的，由 C 语言标准库提供，我们来看下 FILE 结构体：

2、缓冲区的刷新策略

缓冲区有多种刷新策略，比如 C语言 中 scanf 的缓冲区刷新策略为：遇到空白字符或换行就刷新，因此在输入时需要按一下回车，缓冲区中的数据才能刷新至内核缓冲区中，而 printf 的刷新策略为 行缓冲，即遇到 \n 才会进行刷新

总体来说，缓冲区的刷新策略分为以下三种：

  1. 无缓冲 -> 没有缓冲区

  2. 行缓冲 -> 遇到 \n 才进行刷新，一次冲刷一行

  3. 全缓冲 -> 缓冲区满了才进行刷新

一般而言，显示器的刷新策略为 行缓冲，而普通文件的刷新策略为 全缓冲

看这段代码：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
​
using namespace std;
​
int main()
{
    fprintf(stdout, "hello fprintf\n");
    const char* str = "hello write\n";
    write(1, str, strlen(str));
​
    fork(); //创建子进程
    return 0;
}

当我们直接运行程序，结果如下：

当我们进行重定向后，结果如下：

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