【Linux】低级IO

news2024/9/22 6:04:52

目录

一、文件的概念

二、C语言文件操作回顾

三、使用系统调用进行文件I/O

1、系统调用open

1.1open接口介绍

1.2open形参中标记位flags的意义

1.3open的使用

2、系统调用write

2.1write接口介绍

2.2write的使用

3、系统调用read

3.1read接口介绍

3.2read的使用

四、文件描述符fd

1、文件描述符

1.1进程如何找到自己打开的文件

1.2文件描述符fd为什么从3开始

1.3文件描述符fd和FILE的区别

2、文件描述符的分配规则

五、重定向

1、重定向的本质

2、重定向接口dup2

2.1输出重定向

2.2追加重定向

2.3输入重定

六、Linux中一切皆文件

一、文件的概念

1、空文件，在磁盘中也会占据空间，因为文件=内容+属性；

2、文件路径+文件名具有唯一性，如果没有指明文件路径，默认在当前路径下进行文件访问；

3、文件操作的本质是进程和被打开文件的关系。

二、C语言文件操作回顾

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{
    //FILE* fp=fopen(FILE_NAME,"w");//r(只读，出错)w(只写，新建)r+(读写，出错)w+(读写，新建)a(追加)a+(读写追加)
    FILE* fp=fopen(FILE_NAME,"r");//r(只读，出错)w(只写，新建)r+(读写，出错)w+(读写，新建)a(追加)a+(读写追加)
    if(fp==NULL)
    {
        perror("fopen");
        return 1;
    }
    //int cnt=5;
    //while(cnt--)
    //{
    //    fprintf(fp,"%d%s\n",1,"jly");//向文件中写入数据
    //}
    char buffer[60];
    while(fgets(buffer,sizeof(buffer),fp)!=NULL)//遇到\n或num-1或文件末尾为一轮读取。
    {
        buffer[strlen(buffer)-1]='\0';//因为后面的puts会补个'\n',所以要先去除一个'\n'
        puts(buffer);//将str指向的C字符串写入标准输出(stdout)并附加换行符('\n')
    }
    fclose(fp);
    return 0;
}

C语言的文件操作可以看博主的这一篇文章：【C语言】文件相关函数详解

三、使用系统调用进行文件I/O

1、系统调用open

1.1open接口介绍

NAME
       open, creat - open and possibly create a file or device

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>
       #include <sys/stat.h>
       #include <fcntl.h>

       int open(const char *pathname, int flags);//用于处理文件已经存在的情况
       int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);//用于处理文件比存在的情况

       int creat(const char *pathname, mode_t mode);
RETURN VALUE
       open() and creat() return the new file descriptor, or -1 if an error occurred (in which case, errno is set  appro‐
       priately).//open ()和 create ()返回新的文件描述符fd，如果出现错误，返回 -1(错误码被设置）
NOTES
	   O_RDONLY（只读）, O_WRONLY（只写）, and O_RDWR（读写）
       O_CREAT（创建文件），O_TRUNC（清空文件），O_APPEND（追加）

1.2open形参中标记位flags的意义

参数flags是标记位的意思：标记位可以利用每个比特位只有01的特点，比特位之间通过按位或传递选项。（有点像单片机操纵寄存器的感觉）

//利用不同比特位打印对应结果
#include <stdio.h>
//只有一个比特位是1，其他位都是0
#define ONE (1<<0)
#define TWO (1<<1)
#define THREE (1<<2)
#define FOUR (1<<3)
#define FILE_NAME "log.txt"
void show(int flags)
{
    if(flag&ONE) printf("one ");
    if(flag&TWO) printf("TWO ");
    if(flag&THREE) printf("three ");
    if(flag&FOUR) printf("four ");
    printf("\n");
}
int main()
{
    show(ONE|TWO);//输出one two
    show(ONE|TWO|THREE|FOUR);//输出one two three four
    return 0;
}

标记位flags使用三个宏进行传参，他们分别是O_RDONLY（只读）, O_WRONLY（只写）, 和O_RDWR（读写），结合上方代码，这三个宏为了表示不同的文件读取方式，内部二进制1的位置绝对不相同。

1.3open的使用

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{
    //umask(0);//将子进程的umask置0，后续创建的文件权限即为666
    //当文件不存在时，open的可写并不会创建log.txt，需要按位或上O_CREAT，加上创建文件功能，最后一个参数是文件创建时的权限
    int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT,0666);//最终权限=666&~umask
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    close(fd);//使用系统调用close关闭文件指针
    return 0;
}

1、当文件不存在时，使用int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

如果目标文件不存在，open并不会像fopen那样帮助使用者创建对应文件，需要按位或O_CREAT，加上创建文件功能。第三个参数是创建文件的默认权限，如果不写，系统创建的文件会是乱码。

2、当文件存在时，使用int open(const char *pathname, int flags);

2、系统调用write

2.1write接口介绍

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>

       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
 返回值：写入个数  目标写入文件  缓冲区数据位置   个数

2.2write的使用

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{
    //"w"==O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666清空式写入
    int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);

    //"a"==O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666追加
    //int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    char outBuff[60];
    int cnt=5;
    while(cnt)
    {
        sprintf(outBuff,"%s:%d\n","jly",cnt--);
        write(fd,outBuff,strlen(outBuff));//将字符写入文件不用让strlen+1写入\n，除非就像在文件中写入\n
    }
    close(fd);
    return 0;
}

将字符写入文件中可以不用写入\n。

write再次对有文本内容的文件进行写入时，并不会和C语言文件操作中的"w"选项一样，先清空文本内容，而是直接覆盖，使用时可以加上O_TRUNC对文本先进行清空操作。

使用O_APPEND增加追加操作。

3、系统调用read

3.1read接口介绍

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>

       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
返回值：读取成功字节数       读取至缓冲区   要求读取字节

3.2read的使用

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{
    int fd=open(FILE_NAME,O_RDONLY | O_CREAT,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    char buffer[100];
    ssize_t num=read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);//留一个位置放\0
    if(num>0)
    {
        buffer[num]='\0';//把\0补回去
    }
    printf("%s\n",buffer);
    close(fd);
    return 0;
}

四、文件描述符fd

1、文件描述符

1.1进程如何找到自己打开的文件

一个进程可以打开多个文件，操作系统为了管理这些打开的文件，需要为每个被打开的文件创建对应的内核数据结构标识文件（struct file{}），这个结构体中包含文件的大部分属性。

那么操作系统中被打开的文件这么多，进程是如何区分哪些文件是属于我的，哪些文件时非我的？那是因为进程的task_struct结构体中包含struct files_struct* files的结构体指针，这个指针指向struct files_struct这个结构体,这个结构体中存在一个叫做struct file* fd_array[]的结构体指针数组，数组中每个结构体指针指向对应被打开文件的struct file{}。

1.2文件描述符fd为什么从3开始

当我们在一个进程中用open打开多个文件时，通过打印fd的值，发现文件描述符fd从3开始分配。那0、1、2这三个文件描述符分配给谁了呢？

printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);
printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);
printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);

0、1、2默认被这三个流占用，所以我们打开的文件的文件描述符fd从3开始。

1.3文件描述符fd和FILE的区别

FILE* fp=fopen(FILE_NAME,"w");
int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);

系统调用访问文件必须使用文件描述符。而C语言中的FILE是一个结构体，这个结构体中包含了文件描述符。

2、文件描述符的分配规则

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    close(1);//关闭1
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//新文件fd为1
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("%d\n",fd);//printf->stdout
	fprintf(stdout,"%d\n",fd);//printf->stdout
	fflush(stdout);//刷新缓冲区内容至文件log.txt中
    close(fd);
    return 0;
}

1、如果手动把文件描述符数组下标为1的fd关闭，那么后续用open打开一个新的文件，将会占用这个下标为1的位置。文件描述符的分配规则为：从小到大，按照顺序寻找最小的且没有被占用的fd位置。

2、fd为1的位置代表标准输出流，1被关闭，新文件被打开将会占用1。如果后续想要执行打印操作，文件内容将会被打印至这个新文件中。这是一种输出重定向。

五、重定向

1、重定向的本质

>输出重定向
>>追加
<输入重定向

重定向的本质：oldfd不变，在内核中更改newfd下标对应的struct file*的指针。

文件描述符的本质是数组下标，当系统运行时，默认已加载3个文件描述符，分别是标准输入（键盘）、标准输出（显示器）、标准错误（显示器），他们占据了数组0,1,2三个位置。

可以用close(1)手动关闭标准输出，再重新打开一个文件，这个新文件会占据数组为1的位置（标准输出）。如果后续使用printf或fprintf函数进行输出，数据将会输出重定向至这个新文件（因为这个新文件占据了标准输出）。

不过一般不会用手动关闭这三个文件描述符来达到重定向的效果，可以使用int dup2(int oldfd, int newfd);将文件拷贝至前三个文件描述符中，达到重定向的目的。

2、重定向接口dup2

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>

       int dup2(int oldfd, int newfd);//将oldfd拷贝到newfd中
                  fd             1
RETURN VALUE
        成功返回fd，失败返回-1

如果要输出重定向到fd对应的文件中，那么oldfd就是fd，newfd就是1。

函数功能为将oldfd描述符重定向到newfd描述符，相当于重定向完毕后都是操作oldfd所操作的文件 但是在过程中如果newfd本身已经有对应打开的文件信息，则会先关闭文件后再重定向（否则会资源泄露）

2.1输出重定向

使用dup2对上方输出重定向代码写法进行更改。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    dup2(fd,1);//输出重定向到fd对应的文件
    printf("%d\n",fd);//printf->stdout，在fd对应的文件中打印
	fprintf(stdout,"%d\n",fd);//printf->stdout，在fd对应的文件中打印
    close(fd);
    return 0;
}

在fd对应的文件中进行printf和fprintf打印。

2.2追加重定向

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    dup2(fd,1);//输出重定向到显示器
    printf("%d\n",fd);//printf->stdout
	fprintf(stdout,"%d\n",fd);//printf->stdout
    const char* str="jly";
    write(1,str,strlen(str));//将更多内容写入1中
    close(fd);
    return 0;
}

在fd对应的文件中进行printf和fprintf打印并进行write追加写入。

2.3输入重定

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
    int fd=open("log.txt",O_RDONLY);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    dup2(fd,0);//输入重定向，将fd的内容拷贝至0
    char line[60];
    while(1)
    {
        if(fgets(line,sizeof(line),stdin)==NULL)//因为上方输入重定向了，所以这里stdin中会获取log.txt的内容
        {
            break;
        }
        printf("%s",line);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

如果一个进程打开了文件并创建了子进程，子进程将会拷贝父进程的PCB及文件描述符表等大部分信息，包括曾经父进程打开的文件信息，但是文件是不会被拷贝的；只要一个进程退出，它的PCB、文件描述符表要被释放，指向文件的指针就变少。

六、Linux中一切皆文件

打开的struct file中会有一个函数指针，会作对应的初始化，指向对应驱动层的读写方法，通过读写方法，完成对应设备的读写。

用户站在struct file（文件的结构体对象）上层看来，所有的设备和文件，统一都是struct file，至于struct file内部是如何使用函数指针来调用对应设备文件的读写方法，用户并不了解也并不关心。所以在用户的视角下，Linux一切皆文件。

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