Linux：基础IO（一.C语言文件接口与系统调用、默认打开的文件流、详解文件描述符与dup2系统调用）

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猴君
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上次介绍了：Linux：进程控制（二.详细讲解进程程序替换）

文章目录

1.基础认识

  1. 文件是存储在磁盘或其他存储介质上的数据集合，包括数据内容和文件属性。

  2. 在操作系统中，文件的操作通常需要通过进程来打开文件才进行，进程在打开文件时会创建一个文件描述符，用于标识这个文件。

  3. 在访问文件之前，通常需要先打开文件。通过打开文件，进程可以获取文件的句柄或文件描述符，然后可以通过读取、写入、修改文件内容来进行文件操作。文件的修改通常是通过执行相应的代码来实现的，比如写入数据、修改文件属性等。

  4. 在操作系统中，进程在打开文件时会获得一个文件描述符，这个文件描述符是进程访问该文件的标识符。一个进程可以打开多个文件，每个打开的文件都会有一个对应的文件描述符。这意味着一个进程可以同时访问多个文件，进行读取、写入等操作。

  5. 当一个文件被打开时，通常会将文件的部分或全部内容加载到内存中，以便进程可以直接访问和操作文件内容。这样可以提高文件的访问速度和效率。

  6. 在系统中，一个进程能打开多个文件。还有可能会存在多个进程同时打开多个文件

    所以，打开的文件OS一定要对其进行管理，怎么管理——先描述再组织：那么内核中一定有用来描述被打开文件的结构体，并用它来定义一个个对象

  7. 操作系统中，并不是所有的文件都会被进程打开。实际上，系统中可能存在大量的文件，但并不是所有的文件都会被进程打开并加载到内存中进行操作。有些文件可能处于未打开状态，即它们仅存在于磁盘中，没有被任何进程打开

2.再识c语言中文件接口

2.1fopen()与fclose()

当在 C 语言中进行文件操作时，fopen() 和 fclose() 是两个非常重要的函数。下面我将详细讲解它们的作用和用法：

  1. fopen() ：该函数用于打开一个文件，并返回一个指向 FILE 结构体的指针，该指针用于后续的文件操作。
    • 语法：FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
    • 参数：
      • filename：要打开的文件的路径和名称。
      • mode：打开文件的模式，包括只读、只写、读写等不同选项。
    • 返回值：
      • 如果成功打开文件，则返回指向 FILE 结构体的指针。
      • 如果打开文件失败，则返回 NULL。

mode 参数。mode 参数控制文件的打开方式，包括读取、写入、追加等不同选项。下面是各种模式的含义和用法：

  1. “r”：只读模式
  • 打开文件以供读取。如果文件不存在，打开操作将失败。
  • 如果文件不存在，则返回 NULL。
  1. “w”：只写模式
  • 打开文件以供写入。如果文件存在，则会被截断（即文件内容会被清空）；如果文件不存在，则会创建一个新文件。
  • 如果文件打开成功，则返回指向文件的指针。
  1. “a”：追加模式
  • 打开文件以供写入，但是不会截断文件。新的数据会被追加到文件末尾。
  • 如果文件打开成功，则返回指向文件的指针。
  1. “r+”：读写模式（文件必须存在）
  • 打开文件以供读取和写入。文件必须存在，否则打开操作将失败。
  • 如果文件打开成功，则返回指向文件的指针。
  1. “w+”：读写模式（文件不存在则创建）
  • 打开文件以供读取和写入。如果文件存在，则会被截断；如果文件不存在，则会创建一个新文件。
  • 如果文件打开成功，则返回指向文件的指针。
  1. “a+”：读写模式（追加模式，文件不存在则创建）
  • 打开文件以供读取和写入，不会截断文件。新的数据会被追加到文件末尾。
  • 如果文件打开成功，则返回指向文件的指针。
#include<stdio.h>  int main() { 	FILE* f = fopen("./test.txt", "w");//打开 	if (f == NULL) 	{ 		perror("fopen"); 		return 1; 	} 	//在打开关闭之间，我们能进行文件操作  	fclose(f);//关闭 	return 0; }

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  1. fclose() 函数：
    • fclose() 函数用于关闭一个已打开的文件，释放文件资源并刷新缓冲区。
    • 语法：int fclose(FILE *stream);
    • 参数：
      • stream：指向已打开文件的 FILE 结构体指针。
    • 返回值：
      • 如果成功关闭文件，则返回 0。
      • 如果关闭文件失败，则返回 EOF。

2.2文件操作函数

不带路径时，都默认是当前路径。因为进程在启动的时候，会自动记录自己启动时所在的路径

如果使用chdir()函数的话，就会改变

chdir() 函数用于更改当前工作目录：

  • 函数原型：int chdir(const char *path);
  • 功能：将当前工作目录更改为指定的目录。
  • 参数：path 是一个字符串，表示要更改到的目录路径。
  • 返回值：如果成功，则返回 0；如果失败，则返回 -1。

  1. fprintf()：向文件写入格式化数据

    • 函数原型：int fprintf(FILE *stream, const char *format, …);
    • 功能：将格式化的数据写入到指定文件中。
    • 示例：fprintf(file, “Hello, World!”);

  2. fscanf()：从文件读取格式化数据

    • 函数原型：int fscanf(FILE *stream, const char *format, …);
    • 功能：从指定文件中读取格式化的数据。
    • 示例：fscanf(file, “%d %s”, &num, str);

  3. fputc()：向文件写入一个字符

    • 函数原型：int fputc(int c, FILE *stream);
    • 功能：将一个字符写入到指定文件中。
    • 示例：fputc(‘A’, file);

  4. fgetc()：从文件读取一个字符

    • 函数原型：int fgetc(FILE *stream);
    • 功能：从指定文件中读取一个字符。
    • 示例：char ch = fgetc(file);

  5. fgets()：用于从指定文件中读取一行数据，并将其存储到指定的缓冲区中

    • 函数原型：char *fgets(char *str, int num, FILE *stream);
    • 功能：从指定文件中读取一行数据。
    • 示例：fgets(buffer, sizeof(buffer), file);

  6. fputs()：向文件写入一行数据

    • 函数原型：int fputs(const char *str, FILE *stream);
    • 功能：将一行数据写入到指定文件中。
    • 示例：fputs(“Hello, World!”, file);

  7. fwrite() 是 C 语言标准库中用于将数据块写入文件的函数。

    size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
    • ptr：指向要写入的数据的指针。
    • size：要写入的每个数据项的大小（以字节为单位）。
    • nmemb：要写入的数据项的数量。
    • stream：指向要写入的文件的指针。
#include<stdio.h>  int main() { 	FILE* f = fopen("./test.txt", "w");//打开 	if (f == NULL) 	{ 		perror("fopen"); 		return 1; 	} 	//在打开关闭之间，我们能进行文件操作 	const char* str = "this's test.txt"; 	fputs(str, f);  	fclose(f);//关闭 	return 0; }

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以w方式打开时，文件首先会被清空，这也就是为什么我们看不到新的一个this's test.txt，相当于覆盖了

  • 我们之前看到的输出重定向>：也是直接覆盖（默认也是以w方式打开的）

使用a方式打开（append）

int main() { 	FILE* f = fopen("./test.txt", "a");//打开 	if (f == NULL) 	{ 		perror("fopen"); 		return 1; 	} 	//在打开关闭之间，我们能进行文件操作 	const char* str = "this's test.txt\n"; 	fputs(str, f);  	fclose(f);//关闭 	return 0; }

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这次我们使用a方式来打开文件，会在文件末尾处开始写入，不会覆盖而是追加

  • 使用 >> 符号进行输出重定向时，会以追加模式打开文件，新的内容会被追加到文件末尾而不会清空原有内容

3.三个默认打开的文件流

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在标准C库中，有三个默认打开的文件流，它们分别是：

  1. stdin：标准输入流，通常用于从键盘设备读取输入。
  2. stdout：标准输出流，通常用于向显示器设备输出信息。
  3. stderr：标准错误流，通常用于向控制台输出错误信息。

这三个文件流在程序启动时会自动打开，不需要显式地打开或关闭

stdin、stdout 和 stderr 是标准C库中定义的全局变量，它们分别代表标准输入流、标准输出流和标准错误流。这些变量通常在 <stdio.h> 头文件中声明，可以直接使用。

  1. stdin：

    • stdin 是标准输入流，通常用于从用户输入设备（如键盘）读取数据。
    • 在程序启动时，stdin 会自动关联到标准输入设备，通常是键盘。

  2. stdout：

    • stdout 是标准输出流，通常用于向用户输出设备（如屏幕）输出数据。
    • 在程序启动时，stdout 会自动关联到标准输出设备，通常是屏幕。
    #include <stdio.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h>  #define FILENAME "log.txt"  int main() {     printf("hello printf\n"); // 使用 printf 函数向标准输出流输出字符串     fputs("hello fputs\n", stdout); // 使用 fputs 函数向标准输出流输出字符串     const char* msg = "hello fwrite\n";     fwrite(msg, 1, strlen(msg), stdout); // 使用 fwrite 函数向标准输出流输出字符串     fprintf(stdout, "hello fprintf\n"); // 使用 fprintf 函数向标准输出流输出格式化字符串     return 0; }

    file15

    1. printf("hello printf\n");（我们经常用）：
    • 函数原型：int printf(const char *format, ...);
    • printf 是标准C库中的函数，用于向标准输出流（stdout）输出格式化字符串。
    • 在这里，printf 输出了字符串 “hello printf” 到标准输出流，并在末尾添加一个换行符。
    1. fputs("hello fputs\n", stdout);：
    • 函数原型：int fputs(const char *str, FILE *stream);
    • fputs 是标准C库中的函数，用于向指定文件流（这里是 stdout，即标准输出流）输出字符串。
    • 在这里，fputs 输出了字符串 “hello fputs” 到标准输出流，并在末尾添加一个换行符。
    1. fwrite(msg, 1, strlen(msg), stdout);：
    • 函数原型：size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
    • fwrite 是标准C库中的函数，用于向指定文件流输出指定数量的字节。
    • 在这里，fwrite 输出了 msg 指向的字符串 “hello fwrite” 到标准输出流，并指定输出字符串的长度。
    1. fprintf(stdout, "hello fprintf\n");：、
    • 函数原型：int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
    • fprintf 是标准C库中的函数，用于向指定文件流输出格式化字符串。
    • 在这里，fprintf 输出了格式化字符串 “hello fprintf” 到标准输出流。

  3. stderr：

    • stderr 是标准错误流，通常用于向用户输出设备输出错误信息。
    • 在程序启动时，stderr 会自动关联到标准错误设备，通常也是屏幕。
    • 您可以使用 fprintf(stderr, ...) 等函数向 stderr 输出错误信息。

我们上面在进行相关操作时，会发现中间必然要访问硬件。那这就说明OS一定提供了相关的系统调用接口

4.相关系统接口

4.1open()

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在2号手册，说明是系统调用接口

open 函数是用于打开文件的系统调用函数。它的原型如下：

#include <fcntl.h> int open(const char *pathname, int flags); int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

pathname 是要打开的文件的路径名，flags 是打开文件的标志，mode 是文件的权限。open 函数==返回一个文件描述符（file descriptor）==用于后续对文件的读写操作。打开失败的话返回-1（不需要创建文件时，就使用两个参数就好了）

flags 参数可以是以下标志的组合(都是一个个宏)：

  • O_RDONLY：只读
  • O_WRONLY：只写
  • O_RDWR：读写
  • O_CREAT：如果文件不存在则创建
  • O_TRUNC：如果文件存在则截断为0长度，就像之前的w
  • O_APPEND：追加写入，就像之前的a

这些宏都只有一个比特位为1，其余为0

mode 参数指定了文件的权限，通常与 S_IRUSR、S_IWUSR 等宏一起使用。如果创建文件时不加上权限，那么创建出来的文件权限是乱码。这就需要我们如果创建了文件，就要给上文件的权限。经常使用格式：0666（与我们之前讲的umask一样，0可以看成一个格式要求），但是这样创建后的权限不是最终权限，我们使用0666后，还要收到掩码的修改

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>  int main()  {     int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);     if (fd == -1)     {         perror("open");         return 1;     }     return 0; }

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如果想要创造一个自己指明权限的文件，可以使用umask()函数

4.2umask()函数

umask 函数是一个系统调用，用于设置进程的文件创建屏蔽字（file mode creation mask）。文件创建屏蔽字是一个权限掩码，用于确定新建文件的默认权限。在创建新文件时，系统会根据进程的文件创建屏蔽字来屏蔽一些权限位，以确保新建文件不会拥有过于宽松的权限。

umask 函数的原型：

#include <sys/stat.h> mode_t umask(mode_t mask);

umask 函数接受一个参数 mask，该参数是一个权限掩码，用于指定要屏蔽的权限位。umask 函数会返回之前的文件创建屏蔽字。通常，umask 函数会在创建文件之前调用，以确保新建文件不会拥有不必要的权限。

umask 函数的作用是进程级别的，它只影响调用该函数的进程及其子进程，不会对其他进程产生影响。

4.3close()、write()、read()

  1. close()

close() 函数用于关闭一个已打开的文件描述符。文件描述符是一个非负整数，用于在程序中唯一标识打开的文件、设备或其他输入/输出资源。当你打开一个文件时，系统会分配一个文件描述符给你，你可以通过这个描述符来读写文件。当你完成对文件的操作后，应该使用 close() 函数来关闭它，以释放系统资源。

函数原型如下：

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

其中 fd 是要关闭的文件描述符。如果成功，close() 返回 0；如果失败，返回 -1 并设置全局变量 errno 以指示错误原因。

  1. write()

write() 函数用于向打开的文件描述符写入数据。你可以使用它向普通文件、设备文件或套接字写入数据。

也是从文件的开头写

函数原型如下：

#include <unistd.h>   ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • fd 是要写入的文件描述符。
  • buf 是一个指向要写入数据的缓冲区的指针。
  • count 是要写入的数据的字节数。

write() 函数返回实际写入的字节数。在成功时，返回值通常等于 count，除非到达文件的末尾或发生其他错误。如果发生错误，write() 返回 -1 并设置 errno。

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include<string.h> int main()  {     int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);     if (fd == -1)     {         perror("open");         return 1;     }      const char* str = "hellow write\n";     write(fd, str, strlen(str));      close(fd);     return 0; }

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  1. read()

read() 函数用于从文件描述符中读取数据。它的函数原型如下：

#include <unistd.h> ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • fd 是要读取的文件描述符。
  • buf 是一个指向存储读取数据的缓冲区的指针。
  • count 是要读取的字节数。

read() 函数会尝试从文件描述符 fd 对应的文件中读取 count 个字节的数据，并将读取的数据存储到 buf 指向的内存缓冲区中。函数返回值是实际读取的字节数。如果返回值为 0，则表示已经到达文件末尾；如果返回值为 -1，则表示读取出现错误。

以下是一个简单的示例，演示如何使用 read() 函数从文件中读取数据：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h>  int main() {     int fd = open("example.txt", O_RDONLY);     if (fd == -1) {         perror("open");         return 1;     }      char buffer[100];     ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));     if (bytes_read == -1) {         perror("read");         close(fd);         return 1;     }      printf("Read %zd bytes: %s\n", bytes_read, buffer);      close(fd);     return 0; }

5.文件描述符

方才我们使用的open（）会返回一个整数fd，就是文件描述符

后面write（）与close（）也都要使用fd，也就是说，我们的操作系统是只认识文件描述符的

文件描述符是一个整数，用于在操作系统中唯一标识一个被打开的文件、设备或其他I/O资源

5.1 0、1、2

Linux进程默认情况下会有3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、1、2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器

所以输入输出还可以采用如下方式：

write(1, buf, strlen(buf));

这是大家可能会问？ 刚才我们才说才c语言里stdin、stdout与stderr，这三个FILE*是标准输入， 标准输出，与标准错误

那上面这0、1、2是怎么回事？

我们可以知道，一定是FILE 这个类型的结构体里面一定封装了文件描述符。三者里一定分别封装了0、1、2*

int main() {     printf("%d", stdin->_fileno);     printf("%d", stdout->_fileno);     printf("%d", stderr->_fileno);     return 0; }

file110

5.2底层

在 Linux 内核中，已经打开的文件结构体通常被称为文件描述符表（File Descriptor Table）中的表项，每个表项对应一个已经打开的文件。这些表项存储在内核内存中，而不是用户进程的内存空间中。

当进程打开文件时，内核会在文件描述符表中为该文件分配一个表项，并将相应的信息存储在表项中。当进程需要读取或写入文件时，内核会根据文件描述符找到对应的文件描述符表项，然后进行相应的操作。

file111

文件描述符的本质：就是数组下标。我们使用open来得到下标，后续也是使用下标来进行write和close操作

进程你怎么知道你打开了哪些文件呢?

每打开一个文件，数组便要指向一个

文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。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涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件

结构体里缓冲区通常用于存储文件数据的临时缓冲区，用于读取或写入文件内容。这个缓冲区不是指操作系统的缓冲区，也不是C语言标准库中的缓冲区

6.文件描述符的分配规则

fd的分配规则:最小的没有被使用的数组下标，会分配给最新打开的文件!

int main() {     close(1);     int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);     printf("%d\n", fd);     return 0; }

file113

printf()函数默认就是向标准输出流打印了，但是现在我们关闭了，而且新打开的test.txt文件的fd为1，代替了标准输出流的位置，printf就向test.txt中写入了

重定向—dup2()系统调用

file111.5

dup2() 是一个系统调用，用于复制文件描述符。它的原型如下：

#include <unistd.h>  int dup2(int oldfd, int newfd);
  • dup2() 系统调用的作用是将 oldfd 文件描述符复制到 newfd 文件描述符处。如果 newfd 已经打开，则会先关闭 newfd，然后将 oldfd 复制到 newfd 处；如果 newfd 等于 oldfd，则 dup2() 不会关闭 oldfd，但会返回 newfd。
  • 这个系统调用通常用于重定向标准输入、标准输出和标准错误流，例如将一个文件描述符复制到标准输出流（文件描述符 1）或标准错误流（文件描述符 2）。
#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h>  int main() { 	int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); 	dup2(fd, 1); 	printf("hellow log.txt\n"); 	return 0; }

file111.6

7.Linux中一切皆文件

在用户层面上，我们直接调用read函数后，函数内部是会调用结构体里面的函数指针，所以就大用了各种设备的函数了

newfile112

在Linux中，“一切皆文件”（Everything is a file）是一个重要的概念，它体现了Linux操作系统的设计哲学。这个概念的核心思想是，Linux将所有设备、进程、网络连接、管道等抽象概念都视为文件，并通过文件系统的方式来管理和访问它们。

虚拟文件系统：Linux中的虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）将不同类型的文件系统（如ext4、NTFS、procfs等）抽象成统一的文件接口，使得用户和应用程序可以以统一的方式访问不同的文件系统。

通过将所有这些不同的概念都视为文件，Linux提供了一种统一的接口和一致的操作方式，使得用户和开发者可以更加方便地管理和操作系统中的各种资源。

  1. 虚拟文件系统（VFS）：
    • Linux 内核中有一个虚拟文件系统（VFS），它提供了一个抽象层，使得不同类型的文件系统（如 ext4、NTFS 等）能够以统一的方式被内核访问。
    • VFS 为所有文件提供了统一的接口，包括打开文件、读写文件、关闭文件等操作。
  2. 文件描述符：
    • Linux 中每个进程都有一个文件描述符表，用于跟踪打开的文件和设备。
    • 标准输入流 stdin、标准输出流 stdout、标准错误流 stderr 分别对应文件描述符 0、1、2。
  3. 系统调用：
    • Linux 提供了一系列系统调用（如 open()、read()、write()、close() 等），用于在用户空间和内核空间之间进行文件操作。
    • 用户程序可以通过系统调用来打开设备文件、读取设备数据、写入设备数据等。

好啦大家，今天就到这里啦。感谢大家支持！！！

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