【Linux】基础IO（上）

🕗 发布于 2024-11-13 05:27 linux

1. C文件库函数接口

以下的函数的库函数，头文件都是：

#include<stdio.h>

1.1 fopen 和 fclose 函数

1.1.1 fopen 函数

功能： 打开文件

函数原型：

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

mode 的选择：

在这里插入图片描述

w：若使用 w 打开文件，则不管有没有向文件中写入东西，该文件都会被清空
a： w/a 都是写入，w清空并从头写，a在文件结尾，追加写!

返回值：

成功：如果成功打开文件，则返回指向 FILE 结构体的指针，称为文件指针。该文件指针用于后续对文件进行读、写或关闭等操作。
失败：如果打开文件失败，则返回 NULL

1.1.2 fclose 函数

函数功能： 关闭文件

函数原型：

int fclose(FILE * stream);

函数参数：

stream为文件流指针。

返回值：

若关文件动作成功则返回0，有错误发生时则返回EOF，并把错误代码存到errno。

1.2 写文件

1.2.1 fwrite 函数

功能： fwrite 函数是向文件中写入内容的函数。

注意： 不要把字符串的 \0 也写入文件中

函数原型：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

参数说明 :

const void *ptr : 指针指向要写出数据的内存首地址 ;
size_t size : 要写出数据的基本单元的字节大小 , 写出单位的大小 ;
size_t nmemb : 要写出数据的基本单元的个数 ;
FILE *stream : 打开的文件指针 ;

返回值说明 : size_t 返回值返回的是实际写出到文件的基本单元个数 ;

1.2.2 fprintf 函数

功能： fwrite 函数也是向文件中写入内容的函数。

函数原型：

int printf(const char *format, ...);   //其实就是向显示器文件中写入内容
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

返回值：

printf、fprintf：返回值为实际写入文件中的字节数。如果写错误, 则返回一个负数

例：

int a=1;
char arr[]="hello liunx";
printf("%d %s",a,arr);
fprintf(stdout,"%d %s",a,arr);  //stdout: 显示器文件流

1.2.3 写文件的代码

写文件：先以写的方式打开文件--------“w”，然后用 fwrite 或 fprintf 函数

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
FILE* fp = fopen("myfile", "w");
if (!fp) {
printf("fopen error!\n");
}

const char* msg = "hello bit!\n";
int count = 5;
while (count--) {
fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp);  // 不是 strlen(msg)+1，因为\0不需要被写入文件
//或者fprintf(fp,"%s",msg);
}

fclose(fp);
return 0;
}

1.3 读文件

1.3.1 fread 函数

功能： 将文件内容读进特定存储空间

函数原型：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

参数说明：

ptr：指向存储读取数据的缓冲区的指针。
size：每个数据单元的大小（以字节为单位）。
nmemb：要读取的数据单元的数量。
stream：文件指针，指向要读取的文件。

返回值:

fread() 返回成功读取的数据单元数量。如果返回值小于nmemb，则可能是遇到了文件结尾或发生了读取错误。

1.3.2 读文件的代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
FILE* fp = fopen("myfile", "r");
if (!fp) {
printf("fopen error!\n");
}

char buf[1024];
const char* msg = "hello bit!\n";

while (1) {
ssize_t s = fread(buf, 1, strlen(msg), fp);  // 意思说一次读strlen(msg)长度的字符
if (s > 0) {
buf[s] = 0;
printf("%s", buf);
}
if (feof(fp)) {
break;
}
}
fclose(fp);
return 0;
}

1.4. stdin & stdout & stderr

C默认会打开三个输入输出流，分别是stdin, stdout, stderr
仔细观察发现，这三个流的类型都是 FILE* , 即fopen返回值类型，文件指针
stdin: fd–>0，键盘文件
stdout: fd–>1，显示器文件
stderr: fd–>2，显示器文件

2. Liunx系统调用接口

文件其实是在磁盘上的，磁盘是外部设备，访问磁盘文件其实是访问硬件!
几乎所有的库只要是访问硬件设备，必定要封装系统调用! 所以几乎所有的库函数，都封装了系统调用函数。

2.1 open 函数

功能： 打开文件。

函数原型：

#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);

函数参数说明：

pathname ：指向文件路径的字符指针；
flags：文件打开方式
常用选项是：
O_RDONLY（只读）；
O_WRONLY（只写）；
O_RDWR（可读写）；
O_CREAT：文件不存在时，创建该文件；
O_TRUNC ：如果文件存在，则清空文件全部内容(即将其长度截短为0)
O_APPEND：每次写操作都写入文件的末尾，即追加写
mode：
当文件第一次被创建时，必须使用mode参数确定文件权限。当不是第一次被创建，不要使用mode参数
mode 其实就是4位的权限编码

返回值：

打开成功：返回一个int 型正整数（文件描述符）；
打开失败：返回 -1

2.2 close 函数

功能： 关闭文件。

函数原型：

#include <unistd.h>

int close(int fd);

函数参数说明：

fd：文件描述符

返回值：

成功返回 0，出错返回 -1 并设置errno

2.3 write 函数

函数功能： 向文件中写入内容
函数原型：

#include <unistd.h>

write(int  fd,  const  void  *buf, size_t count);

参数说明：

fd：文件描述符
buf：无类型的指针，可以存放要写的内容
count：要写入的内容的字节数

返回值：

如果顺利write()会返回实际写入的字节数（len）。当有错误发生时则返回-1，错误代码存入errno中

2.4 read 函数

功能： 将文件内容读进特定存储空间

函数原型：

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数说明：

ptr：指向存储读取数据的缓冲区的指针。
size：每个数据单元的大小（以字节为单位）。
count：表示期望从文件中读取的字节数。read函数会尽量读取count个字节的数据，并存放在buf中

返回值:

在非阻塞模式下，数据尚未准备好，则返回错误代码EAGAIN或EWOULDBLOCK。
文件指针已到达文件末尾，此时返回0。
出现错误，返回-1

3. 访问文件的本质

?origin_url=.png&pos_id=img-VGfHAvAl-1727086662146)

打开文件的步骤：先把将该文件地址插入在该进程对应的struct file* fd_array[ ] 中；接着，如果双链表中不存在该文件对应的结构体，则将该结构体尾插在双链表中，如果存在该文件的结构体，则将结构体内的 count++；
关闭文件的步骤：先在进程对应数组struct file* fd_array[ ]内，将文件结构体指针对应的位置置为NULL；接着，在双链表内将该文件的结构体 count--；如果 count >0，则不将该文件结构体从双链表中删除，反之，则删除并释放该结构体。
关于 struct file :
- 作用：在操作系统内，用来描述一个被打开文件的信息
- 直接或者间接包含如下属性:
  文件在磁盘的位置
  文件基本属性，权限，大小，读写位置，谁打开的
  文件的内核缓冲区信息
  以及 struct file *next 指针和引用计数 count
fd 即文件描述符，就是struct file* fd_array[ ]数组的下标，是一个正整数。

3.1 再谈C语言中的 FILE

我们之前提到的C语言文件接口都有 FILE：

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
int fclose(FILE * stream);
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

和系统调用接口进行比较一下：

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
int close(int fd);
write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

(注意：我们之前就说过C语言文件接口是由系统调用接口封装而来）

那么 FILE 到底是什么呢？

答：FILE 其实是C库自己封装的结构体! 并且结构体里面必须封装文件描述符 fd !

4. 重定向

4.1 文件描述符的分配规则

从0下标开始，寻找最小的没有没使用的数组位置，它的下标就是新文件的文件描述符。

4.2 重定向

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 close(1);
 int fd = open("myfile", O_WRONLY|O_CREAT, 00644);
 if(fd < 0){
 perror("open");
 return 1;
 }
 printf("fd: %d\n", fd);
 fflush(stdout);
 
 close(fd);
 exit(0);
}

原理如下：
由于关闭了 fd 为1的文件，所以数组内下标为1 的位置置为空了，又因为调用了 open ，所以新文件使用 1 号位，结果就是输出重定向

在这里插入图片描述

4.2.1 使用 dup2 系统调用

函数原型：

#include <unistd.h>

int dup2(int oldfd, int newfd);

参数理解：
是由 oldfd 来替换 newfd。两者都是 fd。

返回值：
若dup2调用成功则返回新的文件描述符 newfd，出错则返回-1。

函数原理：
在这里插入图片描述

4.2.2 输入重定向、输出重定向

输入重定向---------------->读文件、符号为 <，是 fd =0 的dup2运算
输出重定向---------------->写文件、符号为 > 、>>，是 fd =1、fd = 2 的dup2运算
在这里插入图片描述

4.3 多文件的输入/输出重定向

现象引入
依旧是上面的代码，如何将 nomal message 和 stderr message 重输出在不同文件？
操作如下即可：
依旧是上面的代码，如何将 nomal message 和 stderr message 重输出在同一个文件？
操作如下即可：

4.4 自制的第二版shell，添加了重定向

代码放在了gitee中：链接

5. 再次理解 “一切皆文件”

在这里插入图片描述
而对于系统函数：read(); 和 write();

在这里插入图片描述

6. 缓冲区

在这里插入图片描述

显示器的文件的刷新方案是行刷新，所以在printf执行完就会立即遇到\n的时候。将数据进行刷新用户刷新的本质，就是将数据通过1+write写入到内核中
联想：exit(); = fflush(stdout); + _exit();
缓冲区刷新方式：
- 无缓冲 — 直接刷新
- 行缓冲 —不刷新，直到碰到\n --------->显示器
- 全缓冲 — 缓冲区满了，才刷新 --------->向普通文件写入
进程退出时，缓冲区会刷新
为什么要有这个缓冲区：
- 解决效率问题 – 用户的效率问题
- 配合格式化
c语言缓冲区在哪里？c语言缓冲区在 FILE 中（FILE：只是c语言自己组装的结构体）。FILE里面还有对应打开文件的缓冲区字段和维护信息。注意是语言级缓冲区，不是系统缓冲区。
- 这个FILE对象属于用户昵? 还是操作系统呢? 答：属于用户，是用户创建的。
  c语言缓冲区，是不是属于用户级的缓冲区呢? 答：属于，语言都属于用户层。

现象分析：
问题1：
在这里插入图片描述

答：现象1：是因为没有 \n 无法刷新缓冲区，并且在进程结束之前，就关闭了1文件，所以进程结束时，无法将c语言缓冲区刷新的内容通过write(1);写进系统缓冲区。现象2：直接通过write(1)；写进了系统缓冲区。

问题2：

在这里插入图片描述
答：因为重定向到普通文件中，c语言缓冲区刷新方式是全缓冲，不是行缓冲。

问题3：
在这里插入图片描述

代码相对于问题2，只多了fork();

答：

在这里插入图片描述
c 缓冲区是在FILE里，而FILE是 fopen函数 在堆上申请的。
当父进程结束时，父进程会刷新c缓冲区，一份有了；当子进程结束时，子进程也会刷新c缓冲区，这时子进程不可以在父进程的数据上直接进行修改，发生写时拷贝，在内存上有两个FILE-----即有两块空间，有两个缓冲区。写时拷贝后，子进程刷新缓冲区，另一份就有了，所以有两份。
注意：write();函数 在操作系统内，不牵涉父进程的数据。

7. 自制 FILE(内含缓冲区) 以及_fopen、_fwrite、_fclose函数

模仿的是c语言库stdio。
代码放在了gitee里：链接

原文地址：https://blog.csdn.net/2301_81073406/article/details/142444114

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1. C文件库函数接口

1.1 fopen 和 fclose 函数

1.1.1 fopen 函数

1.1.2 fclose 函数

1.2 写文件

1.2.1 fwrite 函数

1.2.2 fprintf 函数

1.2.3 写文件的代码

1.3 读文件

1.3.1 fread 函数

1.3.2 读文件的代码

1.4. stdin & stdout & stderr

2. Liunx系统调用接口

2.1 open 函数

2.2 close 函数

2.3 write 函数

2.4 read 函数

3. 访问文件的本质

3.1 再谈C语言中的 FILE

4. 重定向

4.1 文件描述符的分配规则

4.2 重定向

4.2.1 使用 dup2 系统调用

4.2.2 输入重定向、输出重定向

4.3 多文件的输入/输出重定向

4.4 自制的第二版shell，添加了重定向

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6. 缓冲区

7. 自制 FILE(内含缓冲区) 以及_fopen、_fwrite、_fclose函数

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