【Linux】基础IO_文件操作

简介: 【Linux】基础IO_文件操作

预备知识



在C语言阶段,我们学习过相关文件操作,但是,我们真的了解文件操作吗?


答案是并不了解,因为我们之前所学习的C语言文件操作,都是属于语言层面的操作,我们只是知道了fopen,fclose这些函数是怎么用,但是具体的底层原理并没有涉及接触。实际上,当涉及到文件操作的原理时,就不再是简单的语言问题,而是属于系统问题。


1.png


是否只有我们的C/C++才可以对文件进行操作呢?


答案也是否定的,其它比如JAVA、Python等语言也支持相关文件操作,只是不同语言的实现方法(语言级别)不同罢了,但是底层(系统级别)都会涉及到系统层面的相关操作。

如何看待文件?


文件=内容+属性,对文件的相关操作--->对内容/属性的相关操作

文件存放在磁盘中,只有当我们打开文件进行相关操作时,文件的属性会被加载到内存(冯诺伊曼体系结构决定,CPU只与内存交互)

对于大量被打开的文件,OS会进行管理,OS会创建struct file结构体,该结构体内包含对应文件的属性(先描述),然后通过某种数据结构,将各个文件对应的结构体连接起来(再组织)。对被打开文件的管理--->对该数据结构的增删查改。

文件是怎么打开的?由谁打开?


由用户通过创建进程(写代码,编译运行),底层会通过系统调用,从而让OS打开文件。

本章所讨论的文件操作都是针对被打开的文件。


文件操作



语言级别的文件操作(C)


文件的打开

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


对于该函数path表示打开或创建的目标文件(默认会在当前路径下创建/打开),mode表示文件的打开方式。对于mode来说,这里就简单介绍以下几种(更多的在前文:点击跳转):


image.png


FILE* fp1=fopen("./TEST/log.txt", "w");//只写,文件不存在在,在./TEST/下创建该文件
FILE* fp2=fopen("log.txt","a");//追加,文件不存在,在当前路径下创建该文件
FILE* fp3=fopen("log.txt","r");//只读,同一个文件可以被打开多次


文件的关闭


int fclose(FILE *fp);//对已打开的文件进行关闭。

对于一个被打开的文件,最后一定要关闭该文件。这就好比我们malloc出来的空间一定要free一样。fclose与fopen配套使用。


fclose(fp1);  
fclose(fp2);  
fclose(fp3);


文件的写入


C语言提供的写函数一共有以下几种:


image.png


对于上面的大多数函数,这里就不做过多讲解,可以自行前去观看,这里讲一下snprintf。snprintf是fprintf的优化版本,相较于fprintf,可以对写入数据进行长度控制,会更加安全。


int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);

str:表示要写入的缓冲区的地址

size:表示该缓冲区的大小

format:格式化可变参数(比如:"%d:%s\n",x,y )演示代码如下:

#include<stdio.h>
 #include<stdlib.h>
 #define SIZE 128
 int main()
 {
   FILE* fp=fopen("log.txt","w");//写
   //打开失败返回空
   if(fp==NULL)
   {
     perror("fopen fail\n");
     exit(-1);
   }
   char buffer[SIZE];
   int cnt=10;
   const char* st="hello world!";
   while(cnt)
   {
     //格式化写入到buffer数组
     snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%d:%s\n",cnt,st);
     //再将数组内容写到文件                                                                                                                    
     fputs(buffer,fp);
     --cnt;
   }
   //关闭文件
   fclose(fp);
   return 0;
 }


2.png


文件的读取


对于文件的读取,C提供的函数与上面一一对应,用法也是如此


文件读取演示:


#include<stdio.h>
 #include<stdlib.h>
 #include<string.h>
 #define SIZE 128

 

//文件的读取
 int main()
 {
   FILE* fp=fopen("log.txt","r");//读方式打开
   if(fp == NULL)
   {
     perror("fopen fail\n");
     exit(-1);
   }
   //按行来读取文件
   while(1)
   {
     //从文件流中按行读取内容,读到tmp中
     char tmp[SIZE];
     if(fgets(tmp,sizeof(tmp),fp)==NULL)
     {
       break;
     }
     //打印tmp
     printf("%s",tmp);                                                                                                                         
   }
   //关闭文件
   fclose(fp);
   return 0;
 }


3.png


系统级别的文件操作


以上都是语言级别的文件相关操作。至此往下将讲解系统级别的相关文件操作。


文件的打开


对于文件的打开,我们采用open系统调用函数。如下:


//头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

//系统调用函数open

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

对于该函数,有如下理解:


返回值:打开成功,返回一个int类型的整数->文件描述符(下一章将重点讲解),失败返回-1。

参数pathname:打开或创建的目标文件(默认在当前路径打开/创建)。

参数flags:多参数选项,用一个整形来实现多个选项的传递。以下为flags对应的参数选项,通常用或位运算来表示一个或多个参数。

对于多参数选项flags:


1682435943710.png


多参数传递实际上采用的就是位图的方式来实现,一个整形一共32个比特位,每一个比特位都可以用来表示一个参数,用|运算符则可以实现一个整形传递多个参数选项。


4.png


我们可以利用此特点来自己实现一个小demo,如下图所示:


5.png


参数flags便是利用此特点来实现一个整形多个参数选项。与我们的C语言对应关系如下;


6.png


参数mode:创建文件时给文件一个权限


文件的关闭


通过系统调用函数close来关闭一个文件,该函数如下:


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

其中这里的fd就是文件描述符,也就是open函数返回的那个整形。具体含义将在下一篇详细讲解。


文件写入


通过函数write来实现文件的写入操作


#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

对于该函数:


返回值:写入成功,会返回写入的内容的大小(单位:字节)失败返回-1

参数fd:文件描述符即open函数的返回值

参数buf:缓冲区的地址

参数count:表示写入的文件的大小

具体案例操作:


#include<stdio.h>
 #include<stdlib.h>
 #include<string.h>
 #include<unistd.h>
 #include<sys/types.h>
 #include<sys/stat.h>
 #include<fcntl.h>
 #define SIZE 128
 int main()
 {
 umask(0);//设置umask为0
   int fd=open("log.txt",O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);//以写的方式打开文件,文件不存在则创建,打开之前会清空原文件,创建时文件权限为0666

 

//打开失败
   if(fd == -1)
   {
     perror("open fail\n");
     exit(-1);
   }
   char buffer[SIZE];//充当缓冲区的buffer数组
   const char* str="hello world";
   int cnt=10;
   //利用snprintf进行格式化写入到缓冲区,再写入到文件
   while(cnt)                                                                                                                                  
   {
     snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%d:%s\n",cnt,str);
     --cnt;
     ssize_t n=write(fd,buffer,strlen(buffer));//这里我们不需要将/0计算在内,因为/0是C语言规定的字符串结尾,此时我们处于系统级别
     printf("成功写入%lu个字节内容\n",n);//%lu:无符号整型
     //间隔1秒写入一次                                                                                                                        
    sleep(1);
   }
   //关闭文件
   close(fd);
   return 0;
 }


运行结果如下:


7.gif


文件的读取


对于文件的读取,提供了函数read


#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

对于该函数:


返回值:读取成功,返回读取的内容的大小,失败返回-1

参数fd:文件描述符

参数buf:缓冲区地址,用来存放读到的数据

count:一次读取字符的大小到缓冲区buf

具体操作如下:


#include<stdio.h>
 #include<stdlib.h>
 #include<string.h>
 #include<unistd.h>
 #include<sys/types.h>
 #include<sys/stat.h>
 #include<fcntl.h>
 #define SIZE 128

//文件读取

int main()
 {
   int fd=open("log.txt",O_RDONLY);//读方式打开文件
   if(fd== -1)
   {
     perror("open fail\n");
     exit(-1);                                                                                                                                 
   }
   char buffer[SIZE];//读到的内容放进buffer数组
   //注意处理\0
   ssize_t n=read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);
   //读取成功
   if(n>0)
   {
     buffer[n]='\0';
     printf("%s共读取%lu字节的内容\n",buffer,n);//字符串结尾的标志\0(这里我们用printf打印,属于C语言级别,所以得考虑\0的存在)
   }
   //关闭文件
   close(fd);
   return 0;
 }


运行结果如下:


8.gif


语言操作与系统级别的文件操作区别


实际上,我们所有的语言级别的文件操作都是对系统调用的封装,比如我们使用的fclose,fopen等函数,他们的底层实际上都会调用对应的系统级别的函数,比如close、open等。也就是说,语言级别的文件操作的底层,并不会直接跳过OS,而是一层一层往下进行。


9.png



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