Linux基础IO【文件理解与操作】_业界新闻

发布时间:2024-07-13 16:36

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文章目录

🌇前言
🏙️正文
🌆总结

🌇前言

文件操作是 基础IO 学习的第一步，我们在 C语言 进阶中，就已经学习了文件相关操作，比如 fopen 和 fclose，语言层面只要会用就行，但对于系统学习者来说，还要清楚这些函数是如何与硬件进行交互的

调用库函数进行文件操作时的流程

🏙️正文

1、文件理解

先来通过几个问题来理解文件

文件操作的本质是什么？

语言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，就像进程管理一样，系统也会通过 先描述，再组织 的方式对文件进行管理、操作

只有 C/C++ 这种偏底层的语言才有文件操作吗？

并不是，其他语言也支持文件操作，如 Java；在进行文件操作时，不同语言使用方法可能有所不同，但本质上都是在调用系统级接口进行操作

文件由什么构成？一般文件放在哪里？

文件 = 内容 + 属性
未使用的文件位于 磁盘，而使用中的文件 属性 会被加载至内存中
本文讨论的是已被加载至内存文件的相关操作

系统是如何区分文件的？

文件可以同时被多次使用，OS 为了管理好文件，会像使用 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和链接关系

文件是由谁打开的？

由用户创建进程，调用系统级接口，再交给 OS 完成文件打开任务，文件写入与读取时也是同理

总结：真正的文件操作需要结合系统底层学习，而我们之前的文件操作都是 进程 与 OS 间的交互

2、C语言文件操作

在学习 系统级文件操作 前，需要先回顾一下 C语言 中的文件操作

2.1、文件打开

FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );

通过文件名以指定打开方式，打开文件

打开方式(参数2)

w 只写，如果文件不存在，会新建，文件写入前，会先清空内容
a 追加，在文件末尾，对文件进行追加写入，追加前不会清空内容
r 只读，打开已存在的文件进行读取，若文件不存在，会打开失败
w+、a+、r+ 读写兼具，区别在于是否会新建文件，只有 r+ 不会新建

//打开文件进行操作 //在当前目录中打开文件 log.txt //注意：同一个文件，可以同时多次打开 FILE* fp1 = fopen("log.txt", "w");	//只读 FILE* fp2 = fopen("log.txt", "a");	//追加 FILE* fp3 = fopen("log.txt", "r");	//只写，文件不存在会打开失败  FILE* fp4 = fopen("log.txt", "w+");	//可读可写 FILE* fp5 = fopen("log.txt", "a+");	//可读可追加 FILE* fp6 = fopen("log.txt", "r+");	//可读可写，文件不存在会打开失败

若文件打开失败，会返回空 NULL，可以在打开后判断是否成功

注意：若参数1直接使用文件名，则此文件需要位于当前程序目录下，如果想指定目录存放，可以使用绝对路径

2.2、文件关闭

文件打开并使用后需要关闭，就像动态内存申请后需要释放一样

int fclose ( FILE * stream );

关闭已打开文件，只需通过 FILE* 指针进行操作即可

//对上面打开的文件进行关闭 //无论以哪种方式打开，关闭方法都一样 fclose(fp1); fclose(fp2); fclose(fp3);  fclose(fp4); fclose(fp5); fclose(fp6);

注意：只能对已打开的文件进行关闭，若文件不存在，会报错

2.3、文件写入

C语言 对于文件写入有这几种方式：fputc、fputs、fwrite、fprintf 和 snprintf

int fputc ( int character, FILE * stream );  int fputs ( const char * str, FILE * stream );  size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );  int snprintf ( char * s, size_t n, const char * format, ... );

前几种方式比较简单，无非就是 逐字符写入、逐行写入与格式化写入，这里主要来介绍一下 snprintf

snprintf 是 sprintf 的优化版，增加了读取字符长度控制，更加安全

参数1：缓冲区，常写做 buffer 数组
参数2：缓冲区的大小
参数3：格式化输入，比如 "%d\n", 10

使用 snprintf 函数写入数据至缓冲区后，可以再次通过 fputs 函数，将缓冲区中的数据真正写入文件中

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>  #define LOG "log.txt" //日志文件 #define SIZE 32  int main() {   FILE* fp = fopen(LOG, "w");   if(!fp)   {     perror("fopen file fail!"); //报错     exit(-1); //终止进程   }    char buffer[SIZE];  //缓冲区   int cnt = 5;   while(cnt--)   {     snprintf(buffer, SIZE, "%s\n", "Hello File!");  //写入数据至缓冲区     fputs(buffer, fp);  //将缓冲区中的内容写入文件中   }    fclose(fp);   fp = NULL;   return 0; }

得益于格式化控制，可以灵活地向日志文件中写入内容

2.4、文件读取

读取与写入配套出现

int fgetc ( FILE * stream );  char * fgets ( char * str, int num, FILE * stream );  size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );  int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... );  int sscanf ( const char * s, const char * format, ...);

可以使用 sscanf 按照一定的规则格式化读取字符串 s

#include <stdio.h>  int main() {   char s[] = "2023:3:24";   int arr[3];   char* buffer[4];   sscanf(s, "%d:%d:%d", arr, arr + 1, arr + 2);   printf("%d\n%d\n%d\n", arr[0], arr[1], arr[2]);    return 0; }

这个函数多用于 序列化与反序列化操作

关于更多 C语言 文件操作的知识 《C语言进阶——文件操作》

3、系统级文件操作

回顾完 C语言 文件相关操作后，就可以开始系统级文件操作的学习了

3.1、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

3.1.1、函数理解

返回值：不同于 FILE*，系统级文件打开函数返回类型为 int，即 文件描述符（ file descriptor ），文件打开失败返回 -1
文件描述符很重要，将在下篇文章《重定向本质》中讲解

参数1：pathname 待操作文件名，和 fopen 一样
参数2：flags 打开选项，open 使用的标记位的方式传递选项信号，用一个 int 至多可以表示 32 个选项
参数3：mode 权限设置，文件起始权限为 0666

主要就是参数2有点复杂，使用了位图的方式进行多参数传递

可以利用这个特性，写一个关于位图的小demo

3.1.2、位图demo

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>  #define ONE 0x1 #define TWO 0x2 #define THREE 0x4  void Test(int flags) {   //模拟实现三种选项传递   if(flags & ONE)     printf("This is one\n");    if(flags & TWO)     printf("This is two\n");    if(flags & THREE)     printf("This is three\n"); }  int main() {   Test(ONE | TWO | THREE);   printf("-----------------------------------\n");   Test(ONE);  //位图使得选项传递更加灵活   return 0; }

函数 open 中的参数2正是位图，其参数有很多个，这里列举部分

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

实际使用时，可以按照位图demo中的方式进行参数传递

#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 System Call!\n";   int cnt = 5;   while(cnt--)     write(fd, ps, strlen(ps));  //不能将 '\0' 写入文件中    close(fd);   return 0; }

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
继承环境变量表后，umask 默认为 0002，当然也可以自定义
通过系统级函数 write 写入字符串时，不要刻意加上 '\0'，因为对于系统来说，这也只是一个普通的字符（'\0' 作为字符串结尾只是 C语言 的规定）

C语言 中的 fopen 调用 open 函数，其中的选项对应关系如下

w -> O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC
a -> O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND
r -> O_RDONLY
……

所以只要我们想，使用 open 时，也能做到 只读方式打开不存在的文件，也不会报错，加个 O_CREAT 参数即可

3.2、关闭 close

close 函数根据文件描述符关闭文件

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

Linux 下一切皆文件

包括这三个标准流： stdin、stdout、stderr
它们的文件描述符依次为：0、1、2，也可以通过 close(1) 的方式，关闭标准流

3.3、写入 write

write 函数的返回值类型有点特殊，但使用方法与 fwrite 基本一致

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

向文件中写入字符串，前面已经演示过了~

3.4、读取 read

read 读取很淳朴，只支持指定字符数读取

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

文件读取时，同样是借助缓冲区进行读取

#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("test.c", O_RDONLY);   if(fd == -1)   {     perror("open file fail1");     exit(-1);   }    int n = 50; //读取50个字符   char buffer[SIZE];   int pos = 0;   while(n--)   {     read(fd, (char*)buffer + pos, 1);     pos++;   }    printf("%s\n", buffer);    close(fd);   return 0; }