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#include <stdio.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <assert.h> #include <unistd.h> #define FILE_NAME "log.txt" int main() { umask(0); // 将权限掩码设置为0,文件的最终权限等于起始权限&(~umask) //int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY); if(fd < 0) { perror("open"); return 1; } char buffer[1024]; ssize_t num = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1); // 减1的原因是给\0留一个位置 if(num > 0) buffer[num] = '\0'; printf("%s", buffer); return 0; }
库函数与系统调用的关系
👉文件的深入理解👈
文件描述符
在前面已经提到过：文件操作的本质就是进程和被打开文件的关系。进程是可以代开多个文件的，那么系统中一定会存在大量的被打开的文件的。这些被打开的文件，就要被操作系统管理起来。管理的本质是先描述再组织。操作系统为了管理对应的打开文件，必定要为文件创建对应的内核数据结构来表示文件，而这个内核数据结构就是struct file，其包含了文件的大部分属性。注：struct file和 C 语言的FILE不是一样的东西。
那接下来，我们就来学习进程是如何和被打开文件关联起来的！
#include <stdio.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <assert.h> #include <unistd.h> // #的作用是将宏参数转化成字符串并与其他字符串连接起来 #define FILE_NAME(number) "log.txt"#number int main() { umask(0); // 将权限掩码设置为0,文件的最终权限等于起始权限&(~umask) int fd0 = open(FILE_NAME(0), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); int fd1 = open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); int fd2 = open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); int fd3 = open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); int fd4 = open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); printf("fd0:%d\n", fd0); printf("fd1:%d\n", fd1); printf("fd2:%d\n", fd2); printf("fd3:%d\n", fd3); printf("fd4:%d\n", fd4); close(fd0); close(fd1); close(fd2); close(fd3); close(fd4); return 0; }
看到上面连续的小整数，我想大家肯定能够想到数组的下标，那么我们可以猜测文件描述符可能与数组有关。那为什么是从 3 开始的呢？0、1、2 那哪去了？在学习 C 语言的时候，我们学到过 C 语言程序会默认打开三个流：stdin（标准输入流：键盘）、stdout（标准输出流：显示器）和 stderr（标准错误流：显示器）。这三个流的类型都是FILE*，而FILE是结构体。C 语言进行文件操作是使用的是FILE*，而操作系统使用的是文件描述符fd，那么结构体FILE中肯定包含文件描述符fd。所以 0、1、2 就被这三个流使用了。
写个程序来验证上面的说法
理解文件描述符的本质
文件描述符的本质是进程的文件描述符表的下表，也就是数组下标！！！进程与被打开文件的关系：进程通过文件描述符表指向对应的被打开的文件。
文件描述符的分配规则
按顺序从小到大查找文件描述符表，最小的且没有被占用的 fd 就会分配给被打开的文件。
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> int main() { umask(0); int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); assert(fd != -1); printf("fd:%d\n", fd); close(fd); return 0; }
关闭 0
关闭 2
关闭 0 和 2
重定向
那如果我们只把 1 关掉会怎么样呢？
将程序运行起来，我们可以发现并没有向显示器上打印信息。原因也非常的简单，因为我们把标准输出（显示器）给关掉了。又因为 printf 函数是向 stdout 上打印的，stdout 的 文件描述符为 1，而当前 1 号文件描述符执行的是我们自己创建的文件，所以数据就被打印到了该文件中了。注：需要刷新 stdout 才能看到信息。
如果我们没有关掉 1，数据就会被打印到显示器上；而如果我们关掉了 1，数据就被打印到了文件里。那么这种现象就叫做重定向。常见的重定向：输出重定向>、追加重定向>>和输入重定向<。重定向的本质是：上层使用的 fd 不变，在内核中更改 fd 对于的struct file*的地址。
如果重定向先要关闭 1，才能进行重定向的话，这就有点挫了。系统为了支持我们更好地进行重定向，给我们提供了一个系统调用dup2。
请简述重定向的实现原理：
每个文件描述符都是一个内核中文件描述信息数组的下标，对应有一个文件的描述信息用于操作文件，而重定向就是在不改变所操作的文件描述符的情况下，通过改变描述符对应的文件描述信息进而实现改变所操作的文件。
1. 输出重定向
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> int main() { umask(0); int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); assert(fd != -1); dup2(fd, 1); // 将fd的内容拷贝到1中 printf("open fd:%d\n", fd); // printf -> stdout fprintf(stdout, "open fd:%d\n", fd); // fprintf -> stdout fflush(stdout); // 刷新缓冲区 close(fd); return 0; }
2. 追加重定向
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <string.h> int main() { umask(0); int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); assert(fd != -1); dup2(fd, 1); // 将fd的内容拷贝到1中 printf("open fd:%d\n", fd); // printf -> stdout fprintf(stdout, "open fd:%d\n", fd); // fprintf -> stdout const char* msg = "It's Crazy Thursday. Give me 50 yuan\n"; write(1, msg, strlen(msg)); fflush(stdout); // 刷新缓冲区 close(fd); return 0; }
3. 输入重定向
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <string.h> int main() { int fd = open("log.txt", O_RDONLY); assert(fd != -1); dup2(fd, 0); // 将fd的内容拷贝到0中 char line[64]; while(1) { printf("< "); // 读取结束退出while循环 if(fgets(line, sizeof(line) - 1, stdin) == NULL) break; printf("%s", line); } close(fd); return 0; }
myshell 实现重定向
因为命令是子进程执行的真正重定向的工作一定是子进程执行的
如何重定向，是父进程要给子进程提供信息
重定向不会影响父进程,因为进程具有独立性
进行重定向时，子进程会发生写实拷贝，拷贝父进程的 PCB 和文件描述符表，再来修改自己的文件描述符表进行重定向
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <assert.h> #include <string.h> #include <ctype.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h> #define NUM 1024 #define OPT_NUM 64 // 命令行参数的最多个数 #define NONE_REDIR 0 // 无重定向 #define INPUT_REDIR 1 // 输入重定向 #define OUTPUT_REDIR 2 // 输出重定向 #define APPEDN_REDIR 3 // 追加重定向 // 过滤空格 #define trimSpace(start) do{ while(isspace(*start)) ++start; }while(0) char lineCommand[NUM]; char* myargv[OPT_NUM]; // 上一个进程的退出信息 int lastCode = 0; int lastSignal = 0; int redirType = NONE_REDIR; // 重定向类型默认为无重定向 char* redirFile = NULL; // 重定向的文件名 // "ls -a -l > myfile.txt" -> "ls -a -l" "myfile.txt" void commandCheck(char* commands) { // 重置重定向信息 redirType = NONE_REDIR; redirFile = NULL; // 重置错误码 errno = 0; assert(commands); char* start = commands; char* end = commands + strlen(commands); while(start < end) { if(*start == '>') { *start = '\0'; ++start; if(*start == '>') { // "ls -a >> myfile.txt" redirType = APPEDN_REDIR; // 追加重定向 ++start; } else { // "ls -a > myfile.txt" redirType = OUTPUT_REDIR; // 输出重定向 } trimSpace(start); // 过滤空格 redirFile = start; break; } else if(*start == '<') { // "cat < myfile.txt" *start = '\0'; // 将字符串分割成两部分 ++start; trimSpace(start); // 过滤空格 // 填写重定向信息 redirType = INPUT_REDIR; // 输入重定向 redirFile = start; break; } else { ++start; } } } int main() { while(1) { char* user = getenv("USER"); // 根据用户输出对应的提示信息, get_current_dir_name函数可以获得当前的工作路径 if(strcmp(user, "root") == 0) { printf("[%s@%s %s]# ", user, getenv("HOSTNAME"), get_current_dir_name()); } else { printf("[%s@%s %s]$ ", user, getenv("HOSTNAME"), get_current_dir_name()); } fflush(stdout); // 刷新缓冲区 // 获取用户输入 char* s = fgets(lineCommand, sizeof(lineCommand) - 1, stdin); assert(s != NULL); // 清除最后一个\n, abcd\n lineCommand[strlen(lineCommand) - 1] = 0; // 字符串切割:"ls -a -l" -> "ls" "-a" "-l" // "ls -a -l > myfile.txt" -> "ls -a -l" "myfile.txt" // "cat < myfile.txt" -> "cat" "myfile.txt" commandCheck(lineCommand); // 如果有重定向,则将字符串拆成两部分 myargv[0] = strtok(lineCommand, " "); int i = 1; // 因为无法执行"ll"指令, 所以这里做一下处理 if(myargv[0] != NULL && strcmp(myargv[0], "ll") == 0) { myargv[0] = "ls"; myargv[i++] = "-l"; } if(myargv[0] != NULL && strcmp(myargv[0], "ls") == 0) { myargv[i++] = "--color=auto"; } // 如果切割完毕, strtok返回NULL, myargv[end] = NULL while(myargv[i++] = strtok(NULL, " ")); // 如果是cd命令, 不需要创建子进程来执行, 让当前进程的父进程shell执行对应的命令, 本质就是调用系统接口 // 像这种不需要创建子进程来执行, 而是让shell自己执行的命令, 称为内建命令或者内置命令 // echo和cd就是一个内建命令 if(myargv[0] != NULL && strcmp(myargv[0], "cd") == 0) { // 如果cd命令没有第二个参数, 则切换到家目录 if(myargv[1] == NULL) { chdir(getenv("HOME")); // 更改到家目录 } else { if(strcmp(myargv[1], "-") == 0) // 该功能还有BUG, 因为环境变量的问题 { chdir(getenv("OLDPWD")); // 回到上一次所处的路径 } else if(strcmp(myargv[1], "~") == 0) { chdir(getenv("HOME")); // 去到家目录 } else { chdir(myargv[1]); // 更改到指定目录 } } continue; // 不创建子进程, continue回到while循环处 } // 实现echo命令, 当前的echo命令功能也不是很全 if(myargv[0] != NULL && myargv[1] != NULL && strcmp(myargv[0], "echo") == 0) { if(strcmp(myargv[1], "$?") == 0) { printf("%d, %d\n", lastSignal, lastCode); } else { printf("%s\n", myargv[1]); } continue; } // 创建子进程来执行命令 pid_t id = fork(); assert(id != -1); // child process if(id == 0) { // 因为命令是子进程执行的,真正重定向的工作一定是子进程执行的 // 如何重定向,是父进程要个子进程提供信息 // 这里的重定向不会影响父进程,因为进程具有独立性 switch(redirType) { case NONE_REDIR: // 什么都不做 break; case INPUT_REDIR: { ssize_t fd = open(redirFile, O_RDONLY); if(fd < 0) { perror("open"); exit(errno); } // 重定向的文件已经成功打开了 dup2(fd, 0); } break; case OUTPUT_REDIR: case APPEDN_REDIR: { int flags = O_WRONLY | O_CREAT; if(redirType == APPEDN_REDIR) flags |= O_APPEND; else flags |= O_TRUNC; ssize_t fd = open(redirFile, flags, 0666); if(fd < 0) { perror("open"); exit(errno); } dup2(fd, 1); // ls等指令执行结果是打印在显示器上的 } break; default: printf("error\n"); break; } execvp(myargv[0], myargv); // 执行程序替换的时候,不会影响曾经进程打开的重定向的文件,因为程序替换只是替换代码和数据 exit(errno); // 进程替换失败 } int status = 0; pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); // 阻塞等待 assert(ret > 0); lastCode = ((status >> 8) & 0xFF); lastSignal = (status & 0x7F); } return 0; }
myshell 重定向演示使用
当进程退出时，曾经被打开的文件会被关闭。
Linux 下一切皆文件
在之前的博客里说过：Linux 系统下一切皆文件。那 Linux 系统是如何做到一切皆文件的呢？我们又如何理解 Linux 下一切皆文件呢？见下图：
struct file 内包含引用计数，打开该文件的进程退了，则引用计数减减。当该计数为 0 时，操作系统才会释放这个被打开的文件。
文件的操作方法
👉总结👈
本篇博客主要讲解了文件操作的库函数和系统调用，深入了解文件、文件描述符、重定向以及为什么 Linux 下一切皆文件。那么以上就是本篇博客的全部内容了，如果大家觉得有收获的话，可以点个三连支持一下！谢谢大家！💖💝❣️
