【Linux】基础IO——上

&＃x1f387;Linux&＃xff1a;基础IO详解

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• 博客主页&＃xff1a;一起去看日落吗
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• 博主的能力有限&＃xff0c;出现错误希望大家不吝赐教
• 分享给大家一句我很喜欢的话&＃xff1a; 看似不起波澜的日复一日&＃xff0c;一定会在某一天让你看见坚持的意义&＃xff0c;祝我们都能在鸡零狗碎里找到闪闪的快乐&＃x1f33f;&＃x1f31e;&＃x1f43e;。

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✨ ⭐️ &＃x1f31f; &＃x1f4ab;

&＃x1f31f; 1.1 写文件

如果以"w"模式打开文件&＃xff0c;默认是文本读写&＃xff0c;且会把原始内容清掉再写。

#include
int main()
{
FILE* fp &＃61; fopen("./log.txt", "w");//以写的方式打开当前目录下的log.txt文件,没有就新建文件,如果目标文件存在,w写时会清空目标文件
//FILE* fp &＃61; fopen("log.txt", "w");//没有./,它默认是在当前路径下新建文件
if(fp &＃61;&＃61; NULL)
{
perror("fopen");
return 1;
}
int count &＃61; 0;
while(count < 10)
{
fputs("hello byih\n", fp);//往log.txt文件中写数据
count&＃43;&＃43;;
}
fclose(fp);//关闭文件
return 0;
}


FILE* fp &＃61; fopen(“log.txt”, “w”);


虽然没有 ./ 指定路径&＃xff0c;但是它还是在当前路径下新建文件了&＃xff0c;因为每个进程都有一个内置的属性 cwd(可以在 /proc 目录下查找对应进程的属性信息)&＃xff0c;cwd 可以让进程知道自己当前所处的路径&＃xff0c;这也解释了在 VS 中不指明路径&＃xff0c;它也能新建对应的文件在对应的路径&＃xff0c;换言之&＃xff0c;进程在哪个路径运行&＃xff0c;文件的新建就哪个路径。

&＃x1f31f; 1.2 读文件

fgets从特定文件流中按行读取&＃xff0c;内容放在缓冲区。读取成功返回字符串起始地址&＃xff0c;读失败返回NULL.

#include
int main()
{
FILE* fp &＃61; fopen("./log.txt", "r");//以读的方式打开当前目录下的log.txt文件,没有就报错
if(fp &＃61;&＃61; NULL)
{
perror("fopen");
return 1;
}
int count &＃61; 0;
char buffer[128];
while(count < 10)
{
fgets(buffer, 128, fp);//从log.txt文件中读128个字符到buffer,\n会使fgets停止读取
printf("%s\n", buffer);
count&＃43;&＃43;;
}
fclose(fp);//关闭文件
return 0;
}


&＃x1f31f; 1.3 追加文件

#include
#include
int main()
{
FILE* fp &＃61; fopen("./log.txt", "a");//以追加的打开当前目录下的log.txt文件,没有就新建,如果目标文件存在,a写时不会清空目标文件,在文件内容最后写入
if(fp &＃61;&＃61; NULL)
{
perror("fopen");
return 1;
}
const char* msg &＃61; "Hello DanceBit\n";
//fwrite(msg, strlen(msg) &＃43; 1, 1, fp);//乱码
fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp);
fclose(fp);
return 0;
}


size_t fwrite ( const void* ptr, size_t size, size_t count, FILE* stream );


size 表示你要写入的基本单元是多大(以字节为单位)&＃xff0c;count 表示你要写入几个这样的基本单元。

fwrite(msg, strlen(msg) &＃43; 1, 1, fp);


strlen(msg) &＃43; 1 -> 乱码&＃xff0c;也就是把 \0 也追加会造成&＃xff0c;因为 \0 是 C 的规定&＃xff0c;和文件无关。这里 cat log.txt 并没有看到乱码的原因是 \0 是不可见的&＃xff0c;所以这里 vim log.txt 才可以看到乱码。

&＃x1f31f; 1.4 一切皆文件

C语言默认会打开三个输入输出流&＃xff1a;stdin、stdout、stderr&＃xff0c;它们的类型都是FILE*&＃xff0c;C语言把它们当做文件看待&＃xff1b;站在系统角度&＃xff0c;stdin对应的硬件设备是键盘、stdout对应显示器、stderr对应显示器&＃xff0c;本质上我们最终都是访问硬件。C&＃43;&＃43;中也有cin、cout、cerr&＃xff0c;几乎所有语言都提供标准输入、标准输出、标准错误。

默认情况下&＃xff0c;标准输入是键盘文件&＃xff0c;标准输出是显示器文件&＃xff0c;标准错误是显示器文件。而这三个本身是硬件&＃xff0c;如何理解 Linux 中&＃xff0c;一切皆文件&＃xff1f;

所有的外设硬件&＃xff0c;本质对应的核心操作无外乎是 read 或 write。对于键盘文件&＃xff0c;它的读方法就是从键盘读取数据到内存&＃xff0c;对于显示器文件&＃xff0c;如调用 printf 函数时&＃xff0c;操作系统是要往显示器上写入的&＃xff0c;其实你输入的命令是你通过键盘输入的&＃xff0c;所以系统应该是往键盘读数据。至于用户能看到输入的命令&＃xff0c;仅仅是为了方便用户&＃xff0c;操作系统把从键盘输入的数据&＃xff0c;一方面给了系统读取&＃xff0c;一方面给显示器方便用户。所以不同的硬件&＃xff0c;对应的读写方式肯定是不一样的&＃xff0c;但是它们都有 read 和 write 方法&＃xff0c;换言之&＃xff0c;这里的硬件可以统一看作一种特殊的文件。比如这里设计一种结构叫做 struct file&＃xff0c;它包括文件的属性、文件的操作或方法等。

Linux下的六字真言&＃xff1a;先描述&＃xff0c;在组织

组织就是要把每一个硬件对应的结构体关联起来&＃xff0c;并用 file header 指向。所以在操作系统的角度&＃xff0c;它看到的就是一切皆文件&＃xff0c;也就是说所有硬件的差异&＃xff0c;经过描述&＃xff0c;就变成了同一种东西&＃xff0c;只不过当具体访问某种设备时&＃xff0c;使用函数指针执行不同的方法&＃xff0c;就达到了不同的行为。

#include
#include
int main()
{
const char* msg &＃61; "Hello DanceBit\n";
fwrite(msg, strlen(msg), 1, stdout);
char buffer[64];
fread(buffer, 1, 10, stdin);//你输入时没有写\0,fread时也不会加,所以一旦超过10,就会出现乱码
buffer[10] &＃61; &＃39;\0&＃39;;
printf("%s\n", buffer);
return 0;
}


这里可以直接使用 fwrite 这样的接口&＃xff0c;向显示器写数据的原因是因为 C 程序一运行&＃xff0c;stdout 就默认打开了。同理 fread 能从键盘读数据的原因是 C 程序一运行&＃xff0c;stdin 就默认打开了。

也就是说 C 接口除了对普通文件进行读写之外(需要打开)&＃xff0c;还可以对 stdin、stdout、stderr 进行读写(不需要打开)。

scanf -> 键盘、printf -> 显示器、perror -> 显示器

如上我们知道&＃xff0c;这些文件操作最终都是访问硬件(显示器、键盘、文件(磁盘))。众所周知&＃xff0c;OS是硬件的管理者。所有语言上对“文件”的操作&＃xff0c;都必须贯穿操作系统。然而OS不相信任何人&＃xff0c;访问操作系统&＃xff0c;就必须要通过系统接口&＃xff01;&＃xff01;

其实我们学过的几乎所有的语言中&＃xff0c;fopen/fclose&＃xff0c;fread/fwrite&＃xff0c;fputs/fgets&＃xff0c;fgets/fputs 等底层一定需要使用OS提供的系统调用接口&＃xff0c;下面咱们就来学习文件的系统调用接口

&＃x1f31f;2.1 open

#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int fd &＃61; open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);//打开
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}
//操作
const char* byh &＃61; "Hello System Call!\n";
write(fd, byh, strlen(byh));
write(fd, byh, strlen(byh));
write(fd, byh, strlen(byh));
write(fd, byh, strlen(byh));

close(fd);//关闭
return 0;
}


使用 open 需要包含三个头文件&＃xff0c;它有两个版本。版本一&＃xff1a;以 flags 方式打开 pathname&＃xff1b;版本二&＃xff1a;以 flags 方式打开 pathname&＃xff0c;并设置 mode 权限。

pathname: 要打开或创建的目标文件文件名
flags: 打开方式。传递多个标志位&＃xff0c;下面的一个或者多个常量进行“或”运算&＃xff0c;构成flags.
O_RDONLY: 只读打开
O_WRONLY: 只写打开
O_RDWR : 读写打开
以上这三个常量&＃xff0c;必须指定一个且只能指定一个
O_CREAT : 若文件不存在&＃xff0c;则创建它。同时需要使用mode选项&＃xff0c;来指明新文件的访问权限
O_APPEND: 追加写
mode: 设置默认权限信息


flags 可以是 O_RDONLY(read-only)、O_WRONLY(write-only)、O_RDWR(read/write)&＃xff0c;且必须包含以上访问模式之一。此外访问模式还可以带上 |标志位&＃xff0c;下面会介绍一两个标志位&＃xff0c;实际还要看场景使用。

以写的方式打开一个存在的文件&＃xff0c;它同 fopen 一样&＃xff0c;如果没有写操作&＃xff0c;原文件的内容不会被覆盖&＃xff1b;如果写操作&＃xff0c;原文件的内容会被覆盖成写的内容。

以写的方式打开不存在的文件&＃xff0c;权限是 644&＃xff0c;运行程序发现没有新建文件 。

O_CREATE 发现文件不存在&＃xff0c;将会新建文件&＃xff0c;且必须指定 mode 权限(如果没有指定&＃xff0c;那么新建的文件会变成可执行程序)&＃xff0c;如果没有 O_CREATE&＃xff0c;说明文件是存在的&＃xff0c;则可忽略 mode 权限(就算写了权限也不会对原来的文件更改权限)。

&＃x1f31f;2.2 close

使用 close 关闭文件&＃xff0c;需要包含 unistd 头文件。fd 是 open 的返回值。

&＃x1f31f;2.3 read

要使用 read 读文件&＃xff0c;需要包含 unistd 头文件。read 从 fd 文件描述符中读数据到 buf&＃xff0c;读 count 个字节&＃xff0c;返回值是实际读到的数据。

#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int fd &＃61; open("log.txt", O_RDONLY);//打开
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}
//操作
char buffer[1024];
ssize_t sz &＃61; read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);//期望读1023个,但实际可能只有100个,是从文件读,文件并不遵守字符串\0的规则,所以要主动\0
if(sz > 0)
{
buffer[sz] &＃61; &＃39;\0&＃39;;//利用read的返回值,实际读到的个数就是该被\0的位置
printf("%s\n", buffer);
}
close(fd);//关闭
return 0;
}


&＃x1f31f;2.4 write

使用 write 写入文件&＃xff0c;需要包含 unistd 头文件。write 向 fd 文件描述符中写入 buf&＃xff0c;写 count 个字节&＃xff0c;返回值是写了多少个

&＃x1f31f;2.5 测试用例

#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int fd &＃61; open("log.txt", O_WRONLY|O_APPEND);//打开
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}

//操作
const char* byh &＃61; "Hello System Call!\n";
write(fd, byh, strlen(byh));
write(fd, byh, strlen(byh));

close(fd);//关闭

return 0;
}


#include
#include
#include
#include

int main()
{
int fd1 &＃61; open("log1.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);
int fd2 &＃61; open("log2.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);
int fd3 &＃61; open("log3.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);
int fd4 &＃61; open("log4.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);
int fd5 &＃61; open("log5.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0644);
printf("fd1: %d\n", fd1);
printf("fd2: %d\n", fd2);
printf("fd3: %d\n", fd3);
printf("fd4: %d\n", fd4);
printf("fd5: %d\n", fd5);

return 0;
}


我们说过返回小于 0 的数&＃xff0c;则代表 open 失败&＃xff0c;显示这里 open 都成功了。但是这里为什么不从 0 开始依次返回&＃xff1f;—— 上面我们说过 C 程序运行起来&＃xff0c;默认会打开三个文件(stdin、stdout、stderr)&＃xff0c;所以 0, 1, 2 分别与之对应。

Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符&＃xff0c;分别是标准输入0&＃xff0c; 标准输出1&＃xff0c; 标准错误2.

0,1,2对应的物理设备一般是&＃xff1a;键盘&＃xff0c;显示器&＃xff0c;显示器

而现在知道&＃xff0c;文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;每个元素都是一个指向打开文件的指针&＃xff01;所以&＃xff0c;本质上&＃xff0c;文件描述符就是该数组的下标。所以&＃xff0c;只要拿着文件描述符&＃xff0c;就可以找到对应的文件

&＃x1f31f; 3.1 文件描述符的分配规则

#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//close(0);
close(2);
int fd &＃61; open("myfile", O_RDONLY);
if(fd < 0){
perror("open");
return 1;
}

printf("fd: %d\n", fd);

close(fd);
return 0;
}


每次给新文件分配的fd&＃xff0c;是从fd_array[]中找一个最小的、未被使用的作为新的fd.

这其实很好理解&＃xff0c;打开的文件要和进程产生关联&＃xff0c;就要线性遍历数组中找一个未被使用的下标&＃xff0c;填入文件地址。

#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//close(0);
close(1);
int fd1 &＃61; open("log3.txt", O_CREAT|O_WRONLY, 0644);
int fd2 &＃61; open("log4.txt", O_CREAT|O_WRONLY, 0644);
printf("hello byh!: %d\n", fd1);
printf("hello byh!: %d\n", fd2);
fflush(stdout);

close(fd1);
close(fd2);
return 0;
}


要想看到数据也很简单&＃xff0c;在 close 之前 fflush 强制刷新即可&＃xff0c;但这里要注意 fd1 和 fd2 对应 1 和 3&＃xff0c;它们都是磁盘文件&＃xff0c;printf 时&＃xff0c;因为缓冲区没满&＃xff0c;所以都在语言层的缓冲区&＃xff0c;但是 fflush 之后&＃xff0c;就会一次性的把两次数据都往 fd1 指向的文件中刷新。本来 printf 应该往显示器上输出&＃xff0c;但 close 1&＃xff0c;open 新文件&＃xff0c;导致 1 的指向由显示器转换为磁盘&＃xff0c;导致最终往文件里输出&＃xff0c;本质重定向改变的是底层文件描述符下标指针的内容&＃xff0c;上层是不知道的&＃xff0c;这种技术叫做输出重定向。

虽然 stdout 和 stderr 对应的设备都是显示器&＃xff0c;但是它们是两个独立的文件描述符&＃xff0c;且作用却大不相同。这里虽然它们最终都往显示器上输出&＃xff0c;但是重定向时&＃xff0c;却只能对 stdout 重定向&＃xff0c;因为底层改的是 1&＃xff0c;没有影响 2

• 如何理解—— 一切皆文件。
• 进程在启动时&＃xff0c;默认会打开 0, 1, 2&＃xff0c;对应 C 语言上&＃xff0c;就是 stdin, stdout, stderr。
• 库函数的文件操作和系统调用的文件操作。
• FILE* 和 fd。
• fd 本质是进程和文件之间对应关系的数组的下标&＃xff0c;有了 fd&＃xff0c;就可以找到&＃xff0c;打开文件的所有细节。
• FILE*&＃xff0c;FILE 是一个结构体&＃xff0c;它主要有两块重要的成员 _fileno、缓冲区。
• 数据在文件层面的流动过程。
• 初步了解了重定向的原理和现象。