【Linux】基礎 IO（一）

📝前言：

這篇文章我們來講講Linux——基礎IO主要包括：

文件基本概念
回顧 C文件的操作
介紹系統關于文件的基本操作

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一，基本概念
- 1. 概念
- 2. 系統角度
二，C 文件的 IO
- 1. 打開操作
- 2. 寫操作
- 3. 讀操作
- 4. 默認打開的流
三，系統文件的 IO
- 1. 位標記傳遞
- 2 系統調用 open
- 3 讀寫的系統調用
- - 使用示例
  - 庫函數和系統調用
- 4 文件描述符（重點）
- - 文件描述符的分配原則

一，基本概念

1. 概念

狹義：
- 文件在磁盤上
- 磁盤是永久性存儲物質
- 磁盤是外設，即是輸入設備，也是輸出設備
- 對文件的操作，其實是對外設的輸入和輸出，稱為 IO
廣義：
- Linux 下?切皆文件
- 文件 == 內容 + 屬性

2. 系統角度

對?件的操作本質是進程對?件的操作
硬件（如磁盤）的管理者是操作系統
?件的讀寫本質不是通過 C 語? / C++ 的庫函數來操作的（這些庫函數只是為用戶提供?便），底層是通過文件相關的系統調用接口來實現的

二，C 文件的 IO

1. 打開操作

fopen：

FILE *fopen(const char *pathname, const char *mode);
- pathname：文件路徑
- mode：打開方式
返回：
- 成功：返回文件指針
- 失敗：返回NULL

這個FILE的類型是一個文件結構體，通過typedef來的。這是語言層的。

2. 寫操作

寫操作，在文件不存在的時候都會創建文件。

打開文件時的寫入模式：

清空寫w：清空文件內容，重新寫
追加寫a：在原來文件內容后面追加寫

fwrite：

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
- 把ptr的數據寫到stream
- size：每個數據項的大小，比如寫int，siezeof(int)（就是4）
- nmemb：數據項的個數
返回：實際成功寫入的數據項數量

注意：文件寫入的時候不能寫入'\0'，'\0'是C語言的東西，寫入了以后是亂碼

示例：

  5 // C 語言文件接口回顧6 int main()7 {8     FILE* fp1 = fopen("log1.txt", "w");9     FILE* fp2 = fopen("log2.txt", "a");10     if(fp1 == NULL) printf("log1.txt 打開失敗\n");11     if(fp2 == NULL) printf("log2.txt 打開失敗\n");12     char* str1 = (char *)"測試寫入\n";13     fwrite(str1, strlen(str1), 1, fp1);14     fwrite(str1, strlen(str1), 1, fp2);15     fclose(fp1);16     fclose(fp2);17     return 0;18 }

當使用相對路徑的時候，進程通過自己記錄的自己工作路徑CWD信息，知道新建的文件要放在哪里

運行結果：
在這里插入圖片描述

3. 讀操作

讀操作，如果文件不存在會報錯
fread：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
- 不解釋了，和fwrite的都一樣，不一樣的就是stream是讀入的流，ptr是存儲讀入數據的地方。
- 在上一次讀取結束后文件指針的位置繼續讀取。
返回：實際成功讀取的數據項數量

示例：

 20 int main()21 {22     FILE* fp = fopen("log2.txt", "r");23     if(fp == NULL) printf("打開文件失敗");24 25 26     char* str1 = (char *)"測試寫入\n";27     char buff[1024];28     while(1)29     {30         // 這里每次讀都是覆蓋寫buff的，但是我們及時打印出來                                                                                                                                                  31         int s = fread(buff, 1, sizeof(str1), fp); // 這里每次讀一個char，方便后續設置 '\0'32         if(s > 0)33         {34             buff[s] = 0;35             printf("%s", buff);36         }37         if(feof(fp))38             break;39     }40     return 0;41 }

運行結果：
在這里插入圖片描述

4. 默認打開的流

#include <stdio.h>
extern FILE *stdin;
extern FILE *stdout;
extern FILE *stderr;

C默認會打開三個輸?輸出流，分別是標準輸入：stdin, 標準輸出：stdout, 標準錯誤：stderr

三，系統文件的 IO

頭文件：<unistd.h>

1. 位標記傳遞

利用位圖進行標記位傳遞，假設，現有標記位：ONE : 0001，TWO：0010、THREE：0100

如果我們單獨傳入一個ONE就相當于傳遞了最低位的1。
如果我們希望傳遞第最低位的1和次低位的1，就可以傳入ONE | TWO（通過獲的方式）

2 系統調用 open

系統，通過系統調用open打開文件：
在這里插入圖片描述

pathname：文件路徑
falgs：選項（約等于C語言里面的打開模式），通過或|來實現傳遞多個選項【這個選項本質是宏實現的標記位】
常見選項：
- O_RDONLY：只讀打開
- O_WRONLY：只寫打開
- O_RDWR ：讀，寫打開
上面這三個常量，必須指定?個且只能指定?個。
其他選項
- O_CREAT ：若文件不存在，則創建它。需要使用mode選項（傳入3個8進制數字），來指明新文件的訪問權限。如果新建的時候，不傳入，那對應的文件就是亂碼【別忘了實際的權限要考慮umask的影響】
- O_TRUNC：清空寫
- O_APPEND：追加寫
返回值
- 成功：新打開的文件的文件描述符（系統通過這個來找到需要訪問的文件）
- 失敗：-1

3 讀寫的系統調用

在這里插入圖片描述
write：

參數
- fd：文件描述符
- buf：指向：要寫入的數據，的緩沖區指針
- count：要寫入的字節數
返回
- 成功：實際寫入的字節數
- 失敗：-1，并設置errno
寫入類型
- 對于系統而言，沒有什么文本寫入和二進制寫入（這是語言層的概念）
- 你傳什么指針，他就寫什么，如果你原來數據是一個int a，指針傳&a，則它就是按二進制寫

在這里插入圖片描述
read和write一樣，只是這里是讀到buf

其余close、 lseek接口類似C語言

使用示例

以寫入為例：

 45 int main()46 {47     int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 這個打開的效果就相當于 C 語言庫函數的直接 mode 為 a48     const char* str = (char*)"hello world!\n";49     write(fd, str, strlen(str)); // 不寫入 '\0'50     char fd_str[20];51     sprintf(fd_str, "%d\n", fd);  // 轉換為文本52     write(fd, fd_str, strlen(fd_str));53     close(fd);54     return 0;55 }

通常如果是read，則open就是用帶兩個參數的

運行結果：
在這里插入圖片描述

庫函數和系統調用

語言層的文件結構體FILE里面會存儲文件描述符fd，用于給下層的系統調用傳遞
C語言的庫函數fwrite和fread其實都是對底層系統調用write和read的封裝，在上層為用戶提供便利。
C語言的庫函數具有可移植性，但是系統調用沒有
- 系統調用，如：Linux 的，用的是Linux這一套的。如果把代碼移植到Windows或者其他操作系統就不行了
- C語言，C的fwrite和fread是對系統調用的封裝，但是它不只封裝一份操作系統的，它會實現多個操作系統的。后續根據自己在哪個操作系統上使用，通過條件編譯（裁剪），來調用對應的系統接口

4 文件描述符（重點）

什么是文件描述符？
如上圖所展示的 3 就新打開的log.txt的文件描述符
0, 1, 2分別對應 stdin, stdout, stderr

那系統是如何通過文件描述符來找到要訪問的文件的呢？
在這里插入圖片描述

在進程的task_struct里面有一個files指針，指向文件描述表files_struct
在文件描述表中，有fd_array[]指針數組，數組的下標對應著文件描述符，指向對應的文件
而每個文件被描述成一個結構體struct file（類似C語言的FILE），里面存儲著文件的信息

有了文件描述符fd，進程就會在自己的文件描述表里面找對應下標的文件指針，然后就可以訪問對應的文件了。

在這里插入圖片描述

文件描述符的分配原則

在files_struct數組當中，找到當前沒有被使用的最小的?個下標，作為新的?件描述符。
比如，一開始有0, 1, 2：

直接創建一個新文件，則新文件fd == 3
先close(1)，再創建新文件，則fd == 1

注意：這里的關閉不是真關閉，只是“引用計數 - 1”。

因為一個文件可以同時被多個進程訪問
同一個文件也可以被同一個進程的多個下標指針同時指向。比如stdout和stderr其實都是向顯示器輸出

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