【I/O编程】UNIX文件基础
IO编程的本质是通过 API 操作 文件。
什么是 IO
- I - Input 输入
- O - Output 输出
这里的输入和输出都是站在应用（运行中的程序）的角度。外部特指文件。
这里的文件是泛指，并不是只表示存在存盘中的常规文件。还有设备、套接字、管道、链接等等。在 Linux 系统中 “一切皆文件”，目的是为了统一接口，简化编程。简单点说：
输入/输出编程 :让你将输入/输出功能 作用在 文件 上 ----文件(7种)
---------------------> 对文件进行 IO 操作 ---->将某些代码数据 保留在 文件 上
好处:
1> 将某些代码数据 保留在 文件 上 -----> 关于这一点请查阅文章《将数据保留（文件持久化）》
2> 丰富你访问底层的手段
3> 可以通过代码打开一些特殊文件 (管道/套接字/字符设备等等)
文件是什么
文件：操作系统中一种二进制/相关数据有序的集合
文件名：这个数据集合的名称
Linux---有哪些文件类型? 共计为 7大类
-普通文件:C程序/可执行文件
d 目录 ---> 文件夹
c 字符设备 ---> 驱动使用
b 块设备 ---> 驱动使用
s 套接字 ---> 网络编程使用
p 管道 ---> 多进程线程使用
l 软链接 ---> 快捷方式
标准 IO 和系统 IO
这里展示了三种内核访问方式：Shell 命令访问内核、系统 API 访问内核 和 C 库函数访问内核。
1. Shell 命令访问内核
- Shell 是操作系统的命令行接口，用户通过输入命令（如 ls、cat、cp 等）间接与内核交互。
- Shell 命令通过调用操作系统提供的系统 API，与内核交互完成任务。例如，ls 命令通过调用系统 API 获取目录列表。
工作流程（结合图示）
- 用户输入 Shell 命令（如 ls）。
- Shell 将命令解释为系统调用，例如 open()、read() 等。
- 系统调用接口（API）将请求传递给操作系统内核。
- 内核通过驱动程序访问硬件设备（如磁盘），获取数据。
- 内核将数据返回给 Shell，Shell 将结果显示给用户。
适合直接操作文件或目录；用户无需编程即可操作内核（高层次封装）；主要适合简单的文件管理操作，例如查看文件、复制文件等。
2. 系统 API 访问内核
- 系统 API（如 open()、read()、write()）是操作系统提供的接口，用于程序直接与内核交互。
- 程序员通过调用这些 API，可以访问文件系统、硬件设备等底层资源。
工作流程（结合图示）
- 应用程序调用系统 API（例如 open() 打开文件、read() 读取文件内容、write() 写入文件）。
- 系统 API 调用操作系统的内核功能，完成对设备或文件的操作。
- 内核通过驱动程序与硬件设备交互（如读取磁盘数据）。
- 操作系统将结果返回给应用程序。
优势尤其明显：直接访问内核，开发者通过系统 API 与内核交互；并且提供了高效的文件操作能力，适合对性能要求较高的场景；比 Shell 命令更加灵活，但需要更丰富编程知识。
3. C 库函数访问内核（标准 I/O）
- C 标准库（如
stdio.h提供的函数 fopen()、fclose()、fwrite() 等）对系统 API 进行了封装，简化了文件操作。 - 应用程序通过调用 C 库函数间接访问内核。例如，fopen() 实际上会调用系统 API open()。
工作流程（结合图示）
- 应用程序调用 C 标准库函数（如 fopen()）。
- 标准库函数将调用转换为系统 API 调用（如从 fopen() 转换为 open()）。
- 系统 API 通过内核与硬件设备交互（如文件读取、写入）。
- 内核将结果返回给标准库函数，应用程序通过标准库函数获取结果。
C 库函数访问内核实现了更高层次的封装：C 库函数将系统调用封装为易用的接口，简化了开发；具备跨平台性：C 标准库屏蔽了操作系统差异，程序更容易移植；适合一般开发：更方便、易于维护，但性能可能略低于直接使用系统 API。
- Shell 命令层：
- 用户通过命令（如 ls）访问内核。
- 图中未直接显示 Shell 命令路径，但 Shell 命令最终通过系统 API 调用内核。
- 系统 API 层：
- 图中展示了系统 API，如 open()、read()、close() 等。
- 应用程序直接调用这些 API，与内核交互。
- C 库函数层：
- 标准 C 库（如 fopen()）封装了底层 API 调用，提供了易用的接口。
- 图中显示了 C 库函数调用系统 API 的过程（如 fopen() 调用 open()）。
- 内核和设备驱动层：
- 如图所示，内核通过驱动程序与硬件设备交互的过程（如文件存储在磁盘上，通过驱动读取数据）。
不同访问方式在代码上的差异：
Shell 命令访问
通过 Shell 命令直接操作文件，无需编写程序。用户通过命令行与内核交互。
示例：任务是读取文件内容并将其打印到屏幕。
# 创建一个文件并写入内容
echo "Hello, this is a test file." > test.txt
# 通过 Shell 命令读取文件内容并打印
cat test.txt
输出：
Hello, this is a test file.
# 优点：简单、直接，无需编程。
# 缺点：灵活性差，无法嵌入复杂的逻辑。
系统 API 访问
通过操作系统提供的系统调用（如 open()、read()）直接访问内核。
示例：使用 C 语言中的系统调用接口读取文件内容。
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
// 打开文件
int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
if (fd < 0) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
// 读取文件内容
char buffer[1024];
ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (bytes_read < 0) {
perror("Error reading file");
close(fd);
return 1;
}
// 确保字符串以 '\0' 结尾
buffer[bytes_read] = '\0';
// 打印文件内容
printf("File content:\n%s\n", buffer);
// 关闭文件
close(fd);
return 0;
}
输出：
File content:
Hello, this is a test file.
# 优点：
# 提供对文件操作的精细控制。
# 性能高，适合对系统资源的直接访问。
# 缺点：
# 开发复杂度较高，需要手动管理资源（如文件描述符的关闭等）。
C 库函数访问
通过 C 标准库函数（如 fopen()、fgets()）封装系统调用，简化文件操作。
示例：使用 C 标准库函数实现文件读取。
#include <stdio.h>
int main() {
// 打开文件
FILE *file = fopen("test.txt", "r");
if (file == NULL) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
// 读取文件内容并打印
char buffer[1024];
while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
printf("%s", buffer);
}
// 关闭文件
fclose(file);
return 0;
}
输出：
Hello, this is a test file.
# 优点：
# 使用方便，屏蔽了底层系统调用的细节。
# 提供了一些高级功能（如缓冲）。
# 缺点：
# 性能略低于直接调用系统 API。
| 访问方式 | 代码复杂度 | 性能 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| Shell 命令访问 | 低 | 较低 | 简单的文件操作任务，如查看、编辑文件内容 |
| 系统 API 访问 | 高 | 高（直接访问内核） | 性能要求高的场景，如大型文件读写或底层系统编程 |
| C 库函数访问 | 中 | 中（有缓冲优化） | 通用场景，如日志文件处理、常规文件读写 |
复杂场景三者的差别：
任务：将文件内容逐行读取，并将每行的长度打印出来。
- Shell 命令实现：
while read line; do
echo "Length: ${#line}"
done < test.txt
- 系统 API 实现：
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
if (fd < 0) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
char buffer[1024];
ssize_t bytes_read;
while ((bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1)) > 0) {
buffer[bytes_read] = '\0';
char *line = strtok(buffer, "\n");
while (line != NULL) {
printf("Length: %ld\n", strlen(line));
line = strtok(NULL, "\n");
}
}
close(fd);
return 0;
}
- C 库函数实现：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
FILE *file = fopen("test.txt", "r");
if (file == NULL) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
char buffer[1024];
while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
buffer[strcspn(buffer, "\n")] = '\0'; // 去掉换行符
printf("Length: %ld\n", strlen(buffer));
}
fclose(file);
return 0;
}
在实际开发中，根据任务复杂度和性能需求选择合适的访问方式即可。例如：
- 简单任务：用 Shell 命令。
- 高性能需求：用系统 API。
- 通用场景：用 C 标准库函数。
系统调用(文件IO)
省流版（简单理解）：文件IO更贴切底层，有系统地方就有文件IO
用户空间进程访问内核的接口
把用户从底层的硬件编程中解放出来
极大的提高了系统的安全性
使用户程序具有可移植性
是操作系统的一部分
系统调用接口是内核的组成部分，不管你是否调用这些接口，它都存在于内核中。调用它时不需要加载，直接跳转执行。
库函数(标准IO)
省流版（简单理解）：标准IO更依赖封装的C库函数库，应用面相对没有文件IO
库函数为了实现某个功能而封装起来的API集合
提供统一的编程接口，更加便于应用程序的移植
是语言或者应用程序的一部
库函数是应用的一部分，调用它时需要加载到进行中，然后才跳转执行，程序结束时会卸载。
访问区别：
1> 文件指针 ---> FILE * --->文件流/流指针
FILE ---> 是一个结构体别名
FILE：利用拥有的成员都属于系统底层成员
//stdio.h
typedef struct _iobuf
{
char* _ptr; //文件输入的下一个位置
int _cnt; //当前缓冲区的相对位置
char* _base; //文件初始位置
int _flag; //文件标志
int _file; //文件有效性 ------**** 文件管理块 FCB
int _charbuf; //缓冲区是否可读取
int _bufsiz; //缓冲区字节数
char* _tmpfname; //临时文件名
} FILE;
2> 文件描述符 ----- *:贯穿了整个应用层
顺序分配的非负整数
内核用以标识一个特定进程正在访问的文件
其他资源(socket、pipe等)的访问标识
系统调用（系统IO）使用 "文件描述符" 来唯一标识进程所打开的文件（包含常规文件、目录、块设备文件、字符设备文件、管道、符号链接、套接字等）。
FILE 流
使用非负整数表示（0，1，2，…），类型为 int。
每个 shell（进程）默认会打开三个文件描述符：标准输入/标准输出/标准错误输出
- STDIN_FILENO - 0 - 标准输入
- STDOUT_FILENO - 1- 标准输出
- STDERR_FILENO - 2 - 标准出错
以上三个文件描述符在进程中可以直接使用，无须额外打开。另外，这三个标准文件很特殊 —> 既是已存在的文件，也是文件指针同时还是文件描述符。
每个 shell（进程）默认打开的三个文件描述符所对应的 FILE 流：
文件指针文件描述符
标准输入 stdin 0
标准输出 stdout1
标准错误输出 stderr 2
在 /usr/include/stdio.h 头文件中声明了以下全局流：
/* Standard streams. */
extern struct _IO_FILE *stdin; /* Standard input stream. */
extern struct _IO_FILE *stdout; /* Standard output stream. */
extern struct _IO_FILE *stderr; /* Standard error output stream. */
/* C89/C99 say they're macros. Make them happy. */
#define stdin stdin
#define stdout stdout
#define stderr stderr
其他情况下：文件指针 和 文件描述符 操作 则是完全独立的。
- 文件指针：标准IO
- 文件描述符：文件IO
- 文件I/O —> 不用缓存的I/O
- 通过文件描述符进行访问：open()/read()/write()/lseek()/close()…
- 标准I/O
- 通过 FILE* 进行访问：printf()/fprintf()/fopen()/fread()/fwrite()/fseek()/fclose()…
出错处理
/usr/include/errno.h 中定义了错误代码。
#include <errno.h>
真正定义这些错误代码的文件是：/usr/include/asm-generic/errno-base.h
/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 WITH Linux-syscall-note */
#ifndef _ASM_GENERIC_ERRNO_BASE_H
#define _ASM_GENERIC_ERRNO_BASE_H
#define EPERM 1 /* Operation not permitted */
#define ENOENT 2 /* No such file or directory */
#define ESRCH 3 /* No such process */
#define EINTR 4 /* Interrupted system call */
#define EIO 5 /* I/O error */
#define ENXIO 6 /* No such device or address */
#define E2BIG 7 /* Argument list too long */
#define ENOEXEC 8 /* Exec format error */
#define EBADF 9 /* Bad file number */
#define ECHILD 10 /* No child processes */
#define EAGAIN 11 /* Try again */
#define ENOMEM 12 /* Out of memory */
#define EACCES 13 /* Permission denied */
#define EFAULT 14 /* Bad address */
#define ENOTBLK 15 /* Block device required */
#define EBUSY 16 /* Device or resource busy */
#define EEXIST 17 /* File exists */
#define EXDEV 18 /* Cross-device link */
#define ENODEV 19 /* No such device */
#define ENOTDIR 20 /* Not a directory */
#define EISDIR 21 /* Is a directory */
#define EINVAL 22 /* Invalid argument */
#define ENFILE 23 /* File table overflow */
#define EMFILE 24 /* Too many open files */
#define ENOTTY 25 /* Not a typewriter */
#define ETXTBSY 26 /* Text file busy */
#define EFBIG 27 /* File too large */
#define ENOSPC 28 /* No space left on device */
#define ESPIPE 29 /* Illegal seek */
#define EROFS 30 /* Read-only file system */
#define EMLINK 31 /* Too many links */
#define EPIPE 32 /* Broken pipe */
#define EDOM 33 /* Math argument out of domain of func */
#define ERANGE 34 /* Math result not representable */
#endif
另外还有一个文件：/usr/include/asm-generic/errno.h
/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 WITH Linux-syscall-note */
#ifndef _ASM_GENERIC_ERRNO_H
#define _ASM_GENERIC_ERRNO_H
#include <asm-generic/errno-base.h>
#define EDEADLK 35 /* Resource deadlock would occur */
#define ENAMETOOLONG 36 /* File name too long */
#define ENOLCK 37 /* No record locks available */
/*
* This error code is special: arch syscall entry code will return
* -ENOSYS if users try to call a syscall that doesn't exist. To keep
* failures of syscalls that really do exist distinguishable from
* failures due to attempts to use a nonexistent syscall, syscall
* implementations should refrain from returning -ENOSYS.
*/
#define ENOSYS 38 /* Invalid system call number */
#define ENOTEMPTY 39 /* Directory not empty */
#define ELOOP 40 /* Too many symbolic links encountered */
#define EWOULDBLOCK EAGAIN /* Operation would block */
#define ENOMSG 42 /* No message of desired type */
#define EIDRM 43 /* Identifier removed */
#define ECHRNG 44 /* Channel number out of range */
#define EL2NSYNC 45 /* Level 2 not synchronized */
#define EL3HLT 46 /* Level 3 halted */
#define EL3RST 47 /* Level 3 reset */
#define ELNRNG 48 /* Link number out of range */
#define EUNATCH 49 /* Protocol driver not attached */
#define ENOCSI 50 /* No CSI structure available */
#define EL2HLT 51 /* Level 2 halted */
#define EBADE 52 /* Invalid exchange */
#define EBADR 53 /* Invalid request descriptor */
#define EXFULL 54 /* Exchange full */
#define ENOANO 55 /* No anode */
#define EBADRQC 56 /* Invalid request code */
#define EBADSLT 57 /* Invalid slot */
#define EDEADLOCK EDEADLK
#define EBFONT 59 /* Bad font file format */
#define ENOSTR 60 /* Device not a stream */
#define ENODATA 61 /* No data available */
#define ETIME 62 /* Timer expired */
#define ENOSR 63 /* Out of streams resources */
#define ENONET 64 /* Machine is not on the network */
#define ENOPKG 65 /* Package not installed */
#define EREMOTE 66 /* Object is remote */
#define ENOLINK 67 /* Link has been severed */
#define EADV 68 /* Advertise error */
#define ESRMNT 69 /* Srmount error */
#define ECOMM 70 /* Communication error on send */
#define EPROTO 71 /* Protocol error */
#define EMULTIHOP 72 /* Multihop attempted */
#define EDOTDOT 73 /* RFS specific error */
#define EBADMSG 74 /* Not a data message */
#define EOVERFLOW 75 /* Value too large for defined data type */
#define ENOTUNIQ 76 /* Name not unique on network */
#define EBADFD 77 /* File descriptor in bad state */
#define EREMCHG 78 /* Remote address changed */
#define ELIBACC 79 /* Can not access a needed shared library */
#define ELIBBAD 80 /* Accessing a corrupted shared library */
#define ELIBSCN 81 /* .lib section in a.out corrupted */
#define ELIBMAX 82 /* Attempting to link in too many shared libraries */
#define ELIBEXEC 83 /* Cannot exec a shared library directly */
#define EILSEQ 84 /* Illegal byte sequence */
#define ERESTART 85 /* Interrupted system call should be restarted */
#define ESTRPIPE 86 /* Streams pipe error */
#define EUSERS 87 /* Too many users */
#define ENOTSOCK 88 /* Socket operation on non-socket */
#define EDESTADDRREQ 89 /* Destination address required */
#define EMSGSIZE 90 /* Message too long */
#define EPROTOTYPE 91 /* Protocol wrong type for socket */
#define ENOPROTOOPT 92 /* Protocol not available */
#define EPROTONOSUPPORT 93 /* Protocol not supported */
#define ESOCKTNOSUPPORT 94 /* Socket type not supported */
#define EOPNOTSUPP 95 /* Operation not supported on transport endpoint */
#define EPFNOSUPPORT 96 /* Protocol family not supported */
#define EAFNOSUPPORT 97 /* Address family not supported by protocol */
#define EADDRINUSE 98 /* Address already in use */
#define EADDRNOTAVAIL 99 /* Cannot assign requested address */
#define ENETDOWN 100 /* Network is down */
#define ENETUNREACH 101 /* Network is unreachable */
#define ENETRESET 102 /* Network dropped connection because of reset */
#define ECONNABORTED 103 /* Software caused connection abort */
#define ECONNRESET 104 /* Connection reset by peer */
#define ENOBUFS 105 /* No buffer space available */
#define EISCONN 106 /* Transport endpoint is already connected */
#define ENOTCONN 107 /* Transport endpoint is not connected */
#define ESHUTDOWN 108 /* Cannot send after transport endpoint shutdown */
#define ETOOMANYREFS 109 /* Too many references: cannot splice */
#define ETIMEDOUT 110 /* Connection timed out */
#define ECONNREFUSED 111 /* Connection refused */
#define EHOSTDOWN 112 /* Host is down */
#define EHOSTUNREACH 113 /* No route to host */
#define EALREADY 114 /* Operation already in progress */
#define EINPROGRESS 115 /* Operation now in progress */
#define ESTALE 116 /* Stale file handle */
#define EUCLEAN 117 /* Structure needs cleaning */
#define ENOTNAM 118 /* Not a XENIX named type file */
#define ENAVAIL 119 /* No XENIX semaphores available */
#define EISNAM 120 /* Is a named type file */
#define EREMOTEIO 121 /* Remote I/O error */
#define EDQUOT 122 /* Quota exceeded */
#define ENOMEDIUM 123 /* No medium found */
#define EMEDIUMTYPE 124 /* Wrong medium type */
#define ECANCELED 125 /* Operation Canceled */
#define ENOKEY 126 /* Required key not available */
#define EKEYEXPIRED 127 /* Key has expired */
#define EKEYREVOKED 128 /* Key has been revoked */
#define EKEYREJECTED 129 /* Key was rejected by service */
/* for robust mutexes */
#define EOWNERDEAD 130 /* Owner died */
#define ENOTRECOVERABLE 131 /* State not recoverable */
#define ERFKILL 132 /* Operation not possible due to RF-kill */
#define EHWPOISON 133 /* Memory page has hardware error */
#endif
全局错误码errno
在errno.h中定义，全局可见
错误值定义为“EXXX”形式，如EACCESS
想阅读全局错误码:
1> /usr/include/asm-generic/errno-base.h
2> /usr/include/asm-generic/errno.h
处理规则
如果没有出错，则 errno 值不会被一个例程清除，即只有出错时，才需要检查 errno 值
任何函数都不会将 errno 值设置为 0，errno.h 中定义了所有常数都不为 0
错误信息输出
strerror() - 映射errno对应的错误信息 ---> 有：BUG：有的人Linux能用，有的人不能用；而且只会告诉你错了什么，但不会告诉你具体哪里错了。
perror() – 输出用户信息及errno对应的错误信息
if(？？==错误返回){
perror("自定义错误标志");
return;
}
例如:
int temp=scanf("%d",&a); //一定要注意:scanf的错误返回，你一定要知道
if(temp==0){
perror("嘿嘿，此处报错咯~");
}
strerror 函数
#include <string.h>
char *strerror(int errnum);
// 将 errnum 翻译为对应错误的解释字符串，并返回字符串指针
// 当传递无效错误号 nnn 时返回 Unknown error nnn
perror 函数
#include <stdio.h>
void perror(const char *s);
// 将 s 后加一个 : 号加空格（即 ": "），并且将 errno 对应的描述字符串连接在后面，打印输出
示例代码：
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
FILE *fp;
// 打印 EINVAL 错误号对应的错误描述
printf("EINVAL - %s\n", strerror(EINVAL));
// 打印无效的错误号 150 对应的描述
printf("150 - %s\n", strerror(150));
// 以只读的方式打开 ./abc.txt，如果文件不存在则会打开失败
fp = fopen("./abc.txt", "r");
// 直接打印当前 errno 的值所对应的描述
printf("errno = %d, %s\n", errno, strerror(errno));
if (!fp) {
// 打印错误描述（常用）
perror("打开文件 ./abc.txt 失败");
return -1;
}
// 关闭文件流
fclose(fp);
return 0;
}
以上。仅供学习与分享交流，请勿用于商业用途！转载需提前说明。
我是一个十分热爱技术的程序员，希望这篇文章能够对您有帮助，也希望认识更多热爱程序开发的小伙伴。
感谢！
原文地址：https://blog.csdn.net/qq_39725309/article/details/145045668
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