基础IO(总)

接口介绍

open：

#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);

pathname：要打开或创建的目标文件

flags：打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行"或"运算( '|' )

参数：

O_RDONLY:只读打开
O_WRONLY:只写打开
O_RDWR:读，写打开。这三个参数必定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，来指名新文件的访问权限
O_APPEND:追加写

返回值：成功就返回新打开的文件描述符，失败就返回-1

使用:open函数具体使用哪个分场景而定，如果目标文件不存在，需要open创建，就要使用三个参数，并且设置新创建文件的权限。

int open(pathname,O_CREAT,0666);//文件不存在，创建它并设置权限为0666

OPEN函数的返回值

在学习返回值之前，先了解一下系统调用和库函数。

像fopen,fclose,fread,fwrite这些都是C标准库中的函数，称之为库函数
而open,close,read,write,lseek，这些都是OS提供的系统调用

所以可以认为f#系列的函数，都是队系统调用函数进行了封装，方便进行二次开发

文件描述符fd

通过上面的open函数就可以知道，文件描述符fd就是一个小整数

0&1&2:

在Linux下，默认会有三个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2

0对应的是键盘，1和2对应的是显示器，即0是从键盘读入，1和2是像显示器输出。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
    char buf[1024];
    ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));
    if(s > 0){
        buf[s] = 0;
        write(1, buf, strlen(buf));
        write(2, buf, strlen(buf));
    }
    return 0;
}

上面代码就是利用系统调用接口write像显示器输出buf中的内容，用read从键盘上读取内容保存到数组buf中.

总结：文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中创建相应的数据结构来描述文件，于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files，指向一张表files_struct，该表最重要的部分就是包含一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！所以，本质上，文件描述符就是该指针数组的下标。所以只要知道文件描述符，就可以找到对应的文件.

文件描述符的分配规则

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    int fd = open("myfile", O_RDONLY);
    if(fd < 0){
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
    close(fd);
    return 0;
}

最后输出的答案是" fd: 3"

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    close(0);
    //close(2);
    int fd = open("myfile", O_RDONLY);
    if(fd < 0){
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
    close(fd);
    return 0;
}

输出的是"fd: 0"。

可以得出结论：文件描述符的分配规则：在file_struct数组中，找到当前没有被使用的最小的下标，作为新的文件描述符

重定向

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    close(1);
    int fd = open("myfile", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);
    if(fd < 0){
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
    fflush(stdout);
    close(fd);
    exit(0);
}

这时候我们发现本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件myfile中，其中fd = 1.这种输出现象叫做重定向。常见的重定向有>,>>,<

一张图了解重定向本质：

dup2系统调用

函数原型：

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

dup系统调用分配的文件描述符是由系统分配的，遵循文件描述符的分配原则，并不能指定一个文件描述符，这是dup的一个缺陷，而dup2就很好的解决了这个问题

oldfd:需要被复制的文件描述符

newfd:指定一个文件描述符（需要指定一个当前进程没有使用到的文件描述符）

返回值：成功时返回一个新的文件描述符，也就是newfd；失败就返回-1

示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main() {
    int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    close(1);
    dup2(fd, 1);
    for (;;) {
        char buf[1024] = {0};
        ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
        if (read_size < 0) {
            perror("read");
            break;
        }
        printf("%s", buf);
        fflush(stdout);
    }
    return 0;
}

跟上面的代码一个效果。刚开始创建文件的时候，根据文件描述符分配原则，获得的fd应该为3，

这个时候调用dup2（fd，1）将fd的文件描述符改成1，并断开原先的标准输出，如上述重定向图一样。

FILE

因为IO相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过fd访问的。所以C库当中的FILE结构体内部，必定封装了fd。

借由下面一段代码来理解：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    const char *msg0="hello printf\n";
    const char *msg1="hello fwrite\n";
    const char *msg2="hello write\n";
    printf("%s", msg0);
    fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);
    write(1, msg2, strlen(msg2));

    fork();
    return 0;
}

运行结果：

hello printf
hello fwrite
hello write

但是如果对文件进行输出重定向的话。./test > file 则文件file中会有

hello write
hello printf
hello fwrite
hello printf
hello fwrite

可以发现printf和fwrite都输出了两次，这两个都是库函数，而write只输出了一次，write为系统调用

一般C库函数写入文件时是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲的
printf fwrite库函数会自带缓冲区，当发生重定向到普通文件时候，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲
而我们放在缓冲区中的数据，不会被立即刷新，甚至fork之后
但是进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中
但是fork时候，父子数据会发生写时拷贝，所以当父进程准备刷新的时候，子进程就有了同样的一份数据，随机就会产生两份同样的数据
write没有变化说明，write没有所谓的缓冲

综上：printf fwite库函数会自带缓冲区，而write系统调用没有带缓冲区，另外，我们这里的缓冲区都是用户级的缓冲区，作用就是提升整机性能，OS也会提供相关内核级缓冲区。

那这个用户级缓冲区由谁提供？

显然是C标准库提供，上述中printf和fwrite都是库函数，write是系统调用，库函数在系统调用的上层，是对系统调用的封装，但是write没有缓冲区，而printf和fwrite有缓冲区，说明缓冲区是在封装的时候加上的，也就是由C标准库提供的。

理解文件系统

在linux下使用指令ls -l

[root@localhost linux]# ls -l
-rwxr-xr-x. 1 root root 7438 "1月 1 14:56" a.out
-rw-r--r--. 1 root root 654 "1月 1 14:56" test.c

每行包含7列:

模式
硬连接数
文件所有者
组
大小
最后修改时间
文件名

inode:

为了解释清楚inode，先简单了解一下文件系统

磁盘是典型的块设备，硬盘分区被划分为一个个的block。一个block的大小是由格式化的时候确定的，不可以更改。下图中的启动快(Boot Block)的大小是可以确定的

Block Group:ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。每个BlockGroup都有相同的结构组成。
超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息，记录的信息主要有：block和inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用
块位图(Block BItmap)：Block Bitmap中记录者Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用
inode位图(inode Bitmap):每个bit表示一个inode是否可空闲使用
i节点表：存放文件属性如，文件大小，所有者，最近修改时间
数据区：存放文件内容

将属性和数据分开存放的想法看起来很简单，看下图。

[root@localhost linux]# touch abc
[root@localhost linux]# ls -i abc
261234 abc

创建一个新文件主要有以下四个操作

存储属性内核先找到一个空闲的i节点（这里是261234）。内核把文件信息记录到其中
存储数据该文件需要存储在三个磁盘块，内核找到了三个空闲块：300,500,800。将内核缓冲区的第一块数据复制到300，下一块复制到500，以此类推.
记录分配情况文件内容按顺序300,500,800存放。内核在inode上的磁盘分布区记录了上述块列表。
添加文件名到目录

新的文件名字abc。内核将入口（261234,abc）添加到目录文件。文件名和inode之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来（建立映射关系）。

软硬链接

硬链接：

特点：

具有相同inode节点号的多个文件互为硬链接文件
删除硬链接文件或者删除源文件任意之一，文件实体并未被删除
只有删除了源文件和所有对应的硬连接文件，文件实体才会被删除
硬链接文件是文件的另一个入口
可以用过给文件设置硬连接文件来防止重要文件被误删
可以通过ls -i看到index；
硬链接文件是普通文件，可以用rm删除
对于静态文件（没有进程正在调用），当硬链接数为0时文件就被删除。注意：如果有进程正在调用，则无法删除或者及时文件名被删除空间也不会释放

我们看到，真正找到磁盘上文件的并不是文件名，而是inode。其实在linux中可以让多个文件名对应于同一个inode
[root@localhost linux]# touch abc

[root@localhost linux]# ln abc def

[root@localhost linux]# ls -1i
abc def 261234 abc 261234 def

abc和def的链接状态完全相同，他们被称为指向文件的硬链接。内核记录了这个链接数，inode261234 的硬连接数为2
我们在删除文件时干了两件事情：1.在目录中将对应的记录删除，2.将硬链接数-1，如果为0，则将对应的磁盘释放

软链接：

特点：

软链接类似windows系统的快捷方式
软链接里面存放点的是源文件的路径
删除源文件，软链接依然存在，但无法访问源文件内容
软链接失效时一般是白字红底闪烁
创建软链接命令ln -s 源文件软链接文件；
软链接文件和源文件是不同的文件，稳健类型也不同，inode号也不同
软链接的文件类型是"I"，可以用rm删除

硬链接是通过inode引用另外一个文件，软链接是通过名字引用另外一个文件，在shell中的做法

263563 -rw-r--r--. 2 root root 0 9月 15 17:45 abc
261678 lrwxrwxrwx. 1 root root 3 9月 15 17:53 abc.s -> abc
263563 -rw-r--r--. 2 root root 0 9月 15 17:45 def