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【Linux】基础IO ——文件(上)

2023-05-25 63
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简介： 【Linux】基础IO ——文件(上)

1. 预备知识

文件= 内容+属性

对应文件的操作，对内容的操作，对属性的操作

当文件没有被操作的时候，一般在磁盘中

当对文件进行操作的时候，一般在内存中，因为冯诺依曼体系规定

当我们对文件进行操作的时候，文件需要提前加载到内存中，提前加载的是属性

当我们对文件进行操作的时候，文件需要提前加载到内存中，不只有你在load，内存中一定存在大量的不同文件属性


打开文件本质就是将需要的属性加载到内存中，OS内部一定会同时存在大量的被打开的文件，操作系统就会通过先描述，在组织的方式管理这些被打开的文件

先描述，构建在内存中的文件结构体 struct file{ 文件属性，struct

file*next}，表明被打开的文件 每一个被打开的文件，都要在OS内对应 文件对象的struct

结构体，可以将所有的struct结构体通过某种数据结构链接起来，在OS内部，对被打开的文件进行管理，就会转换为对链表的增删查改

结论：文件被打开，OS要为被打开的文件，创建对应的内核数据结构，struct file结构体 ，该结构体包含各种属性，各种链接关系


2. 回忆C接口

fopen

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

第一个参数为 打开文件对应的路径

第二个参数为 打开文件对应的权限

如果打开成功，返回FILE指针，否则返回NULL

创建myfile.c文件

E>#include<stdio.h>    
  #define LOG "log.txt"    
E>int main()    
  {    
    FILE*fp= fopen(LOG,"w");    
    //默认写方式 打开文件，如果文件不存在，就创建它                                                                                                                                         
  if(fp==NULL)    
  {    
    perror("fopen");//报错    
    return 1;    
  }    
  fclose(fp); //关闭文件    
    return 0;                                                                                                                                                                           
  }

fputs

int fputs(const char *s, FILE *stream);

你想要写的字符串，写入特定的流当中，成功返回字符串字符个数，失败返回-1

#include<stdio.h>                                                                                                                                                                         
  #define LOG "log.txt"    
int main()    
  {    
    FILE*fp= fopen(LOG,"w");    
    //默认写方式 打开文件，如果文件不存在，就创建它    
  if(fp==NULL)    
  {    
    perror("fopen");//报错    
    return 1;    
  }        
  //进行文件操作    
  const char*msg="bbb\n";      
    fputs(msg,fp);    
  fclose(fp); //关闭文件                          
    return 0;                                     
  }

将msg字符串中的数据写入fp流中

fprintf

int fprintf(FILE *stream, const char *format, …);

指定文件流，向文件打印

指定文件流fp，而fp打开的文件为log.txt，所以将msg数据打印到log.txt文件中因为Linux中一切皆文件，所以也可以传入stdout(标准输出流)中，stdout也对应一个文件，即显示器文件

运行可执行程序，结果显示到显示器了

snprintf

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

通过格式化流的方式，把字符串信息自定义格式化到字符串缓冲区中，并规定大小

将msg中的数据打印到buffer字符串中，同时使用fputs将buffer中的数据写入刚刚打开的文件log.txt中

追加方式—— a

追加，不会清空文件，而是每一次写入都是从文件尾部写入的

修改myfile.c文件内容

#include<stdio.h>    
#define LOG "log.txt"    
int main()    
{    
  FILE*fp= fopen(LOG,"a");    
  //默认写方式 打开文件，如果文件不存在，就创建它    
if(fp==NULL)    
{    
  perror("fopen");//报错    
  return 1;    
}    
//进行文件操作    
const char*msg="bbb\n";    
 int cnt=1;    
 while(cnt)    
{    
  fputs(msg,fp);    
  cnt--;    
}    
fclose(fp); //关闭文件    
  return 0;                                                                                                                                                                           
}

多次运行可执行程序，发现可追加

以读方式—— r

char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);

从特定的文件流中按行所取对应的文件，将读到的内容放到缓冲区中

修改myfile.c文件内容

#include<stdio.h>    
#define LOG "log.txt"    
int main()    
{    
  FILE*fp= fopen(LOG,"r");                                                                                                                                                                  
if(fp==NULL)    
{    
  perror("fopen");//报错    
  return 1;    
}    
//进行文件操作    
while(1)    
{    
  char line[128];    
  if(fgets(line,sizeof(line),fp)==NULL)    
    break;    
  else    
  {    
    printf("%s",line);    
  }    
}    
fclose(fp); //关闭文件    
  return 0;    
}

从fp中读取到line中，如果当前读取返回NULL说明读取失败 ，返回break

此时运行可执行程序，即可看到对应文件中的内容

3.操作系统如何进行读写文件操作

open

#include

#include

#include

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

第一个参数代表 文件路径+文件名

第二个参数 代表 文件对应的选项(选项的问题后面会提)

如果打开成功了，就会返回新的文件描述符，如果打开失败，返回 -1

操作系统是如何让用户给自己传递标志位的

1. 我们怎么做

通过写一个 函数 若 int XXX (int flag) ，传递参数flag flag=1/2/3 ，将flag进行赋值

2. 系统怎么做

操作系统存在系统调用接口 int YYY (int flag)，flag作为一个整数，有32个比特位，可以用一个比特位表示一个标志位

，一个int 就可以同时传递至少32个标记位

此时的flag 就可以看作数据类型 位图 看待

理解标记位的问题

创建test.c文件

#include<stdio.h>    
//分别代表从右向左的每个比特位    
#define ONE  0x1    
#define TWO  0x2    
#define THREE 0x4    
#define FOUR 0x8    
void print(int flag)    
{    
  if(flag & ONE )    
  printf("hello 1\n");//充当函数的不同行为    
   if(flag & TWO)    
  printf("hello 2\n");    
   if(flag & THREE)    
  printf("hello 3\n");    
   if (flag & FOUR)    
  printf("hello 4\n");    
}                                                                    
int main()                                                           
{                                                                    
  printf("-------------------------------------\n");                 
  print(ONE);     //打印one                                                    
  printf("-------------------------------------\n");                 
  print(ONE|TWO); //打印one two                                      
  printf("-------------------------------------\n");                 
  print (ONE|TWO|THREE);//打印 one two three                         
  printf("-------------------------------------\n");                 
  print (ONE|TWO|THREE|FOUR);  //打印 one two three four                                    
  printf("-------------------------------------\n");                 
  return 0;                                                          
}

通过整数flag 一次传递多个标志位

0000 0000

将最后的四个比特位通过宏的方式分别记录下来

再与flag 按位与 ，若为真，则说明传递的flag 是 这4个比特位中的其中一个

执行可执行程序，此时分别打印出了 one two three four的运行结果

类比上述 open的第二个参数flag ，存在多个标志位，同通过宏来实现，每一个标志位都代表不同的值

新创建文件权限不正确

  • O_CREAT ：文件不存在就打开，不存在就创建一个文件
  • O_WRONLY： 以写方式打开文件
  • 在myfile.c文件中重新输入代码
#include<sys/stat.h>    
#include<fcntl.h>    
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#define LOG "log.txt"    
int main()    
{    
  int fd=open(LOG, O_WRONLY| O_CREAT);//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个
  if(fd==-1)//说明打开失败
  {
    printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息
  }
  else                                                                                                                                                                                      
  printf("fd :%d\n",  fd);                                   
  close(fd); //关闭文件                                      
  return 0;                                                  
}

运行可执行程序，发现

假设log.txt文件不存在，通过创建文件并打开文件，发现新文件的权限不正常

因为在Linux中创建一个文件需要有对应的权限的

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

所以在文件不存在时，一般采用有三个参数接口的open

mode代表权限

修改myfile.c文件的内容

  #include<sys/types.h>    
  #include<sys/stat.h>    
  #include<fcntl.h>    
  #include<stdio.h>    
  #include<unistd.h>    
  #include<errno.h>
  #define LOG "log.txt"    
  int main()    
  {    
    int fd=open(LOG, O_WRONLY| O_CREAT,0666);//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个                                                                                                      
    if(fd==-1)//说明打开失败    
    {    
E>    printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息    
    }    
    else    
    printf("fd :%d\n",  fd);    
    close(fd); //关闭文件    
    return 0;    
  }

0666 ：拥有者 所属组 other都有读写权限

此时log.txt文件拥有正常的权限

但是输入的是666 ，显示的却是664，即other没有写权限

因为创建一个文件时，默认权限受到umask的影响

解决 umask的权限

使用 man 2 umask 查看

#include

#include

mode_t umask(mode_t mask);

可以影响当前进程启动时，属于自己的umask，采取就近原则，因为自己设置离的更近所以使用自己设置的umask

而不是系统的umask

修改myfile.c文件的内容

  #include<sys/types.h>    
  #include<sys/stat.h>    
  #include<fcntl.h>    
  #include<stdio.h>    
  #include<unistd.h>    
  #include<errno.h>    
  #define LOG "log.txt"    
  int main()    
  {    
    umask (0);//将权限掩码设置成0                                                                                                                                                           
    int fd=open(LOG, O_WRONLY| O_CREAT,0666);//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个                                
    if(fd==-1)//说明打开失败                                                                                          
    {                                                                                                                 
    printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息                               
    }                                                                                                                 
    else                                                                                                              
    printf("fd :%d\n",  fd);                                                                                          
    close(fd); //关闭文件                                                                                             
    return 0;                                                                                                         
  }

使用umask (0) 将权限掩码设置成0

此时log.txt文件的权限为 666

write

通过 man 2 write 查看文件写入接口

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

fd代表文件描述符

buf代表 缓冲区

count代表 缓冲区大小

write将缓冲区的count大小的数据写入 fd中

返回值代表实际写入多少字节

修改myfile.c文件内容

include<sys/types.h>    
#include<sys/stat.h>    
#include<fcntl.h>    
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<errno.h>    
#include<string.h>    
#define LOG "log.txt"    
int main()    
{    
  umask (0);//将权限掩码设置成0    
  int fd=open(LOG, O_WRONLY| O_CREAT,0666);//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个    
  if(fd==-1)//说明打开失败    
  {    
    printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息    
  }    
  else    
  printf("fd :%d\n",  fd);    
  const char* msg="hello world";                                                                                                                                                            
  int cnt=5;    
  while(cnt)    
  {    
    char line[128];    
    snprintf(line,sizeof(line),"%s,%d\n",msg,cnt);//将msg和cnt写入line缓冲区中    
    write(fd,line,strlen(line)+1);//将line写入fd中    
    cnt--;    
  }    
  close(fd); //关闭文件    
  return 0;    
}

若 strlen(line)+1 ，则打开log.txt文件时发现出现乱码，因为数字0在ASCII表中属于不可显示字符

所以为了不出现乱码，所以strlen(line) 不应该+1，因为\0是c语言的规定，不是文件的规定

修改myfile.c文件内容

#include<sys/types.h>    
#include<sys/stat.h>    
#include<fcntl.h>    
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<errno.h>    
#include<string.h>    
#define LOG "log.txt"    
int main()    
{    
  umask (0);//将权限掩码设置成0    
  int fd=open(LOG, O_WRONLY| O_CREAT,0666);//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个    
  if(fd==-1)//说明打开失败                                              
  {                                                                     
    printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息    
  }                                                                     
  else                                                                  
  printf("fd :%d\n",  fd);                                              
  const char* msg="hello world";                                        
  int cnt=5;                                                            
  while(cnt)                                                            
  {                                                                     
    char line[128];                                                     
    snprintf(line,sizeof(line),"%s,%d\n",msg,cnt);//将msg和cnt写入line缓冲区中    
    write(fd,line,strlen(line));//将line写入fd中 strlen不要+1                                                                                                                               
    cnt--;                                                          
  }                                                                 
  close(fd); //关闭文件                                             
  return 0;    
}

此时strlen不加1

默认不会对原始文件清空

修改myfile.c文件内容,msg和cnt的数据内容

#include<sys/types.h>    
#include<sys/stat.h>    
#include<fcntl.h>    
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<errno.h>    
#include<string.h>    
#define LOG "log.txt"    
int main()    
{    
  umask (0);//将权限掩码设置成0    
  int fd=open(LOG, O_WRONLY| O_CREAT,0666);//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个    
  if(fd==-1)//说明打开失败    
  {    
    printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息    
  }    
  else    
  printf("fd :%d\n",  fd);    
  const char* msg="aaaaa";    
  int cnt=1;                                                                                                                                                                                
  while(cnt)                              
  {                                       
    char line[128];    
    snprintf(line,sizeof(line),"%s,%d\n",msg,cnt);//将msg和cnt写入line缓冲区中    
    write(fd,line,strlen(line));//将line写入fd中 strlen不要+1    
    cnt--;    
  }    
  close(fd); //关闭文件    
  return 0;    
}

O_WRONLY | O_CREAT 默认不会对原始文件清空

O_TRUNC : 将文件做清空

修改myfile.c文件内容

#include<sys/types.h>    
#include<sys/stat.h>        
#include<fcntl.h>        
#include<stdio.h>        
#include<unistd.h>        
#include<errno.h>        
#include<string.h>        
#define LOG "log.txt"        
int main()        
{        
  umask (0);//将权限掩码设置成0        
  int fd=open(LOG, O_WRONLY| O_CREAT| O_TRUNC,0666 );//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个        
  if(fd==-1)//说明打开失败        
  {                                                                                                                                                                                         
    printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息                  
  }                                                                                                    
  else                                                                                                 
  printf("fd :%d\n",  fd);                                                                             
  const char* msg="aaaaa";                                                                             
  int cnt=1;                                                                                                                                                                                  while(cnt)                                                                                           
  {                                                                                                    
    char line[128];                                                                                    
    snprintf(line,sizeof(line),"%s,%d\n",msg,cnt);//将msg和cnt写入line缓冲区中                         
    write(fd,line,strlen(line));//将line写入fd中 strlen不要+1                                          
    cnt--;                                                                                             
  }                                                                                                    
  close(fd); //关闭文件                                                                                
  return 0;                                                                                            
}

此时再次调用log.txt文件，就会将之前文件中内容清空’

系统层面追加

O_APPEND 追加

O_WRONLY： 以写方式打开文件

O_WRONLY | O_APPEND | O_CREAT 若文件存在就以写的方式追加，若文件不存在则创建

修改myfile.c文件内容

#include<sys/types.h>    
#include<sys/stat.h>    
#include<fcntl.h>    
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<errno.h>    
#include<string.h>    
#define LOG "log.txt"        
int main()    
{    
  umask (0);//将权限掩码设置成0        
  int fd=open(LOG,O_WRONLY |  O_CREAT | O_APPEND  ,0666 );//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个                                                                                         
  if(fd==-1)//说明打开失败                                                                             
  {                                                                                                    
    printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息                  
  }                                                                                                    
  else                                                                                                 
  printf("fd :%d\n",  fd);                                                                             
  const char* msg="bbb";                                                                                                                                                                      int cnt=1;                                                                                                                                                                                  while(cnt)                                                                                           
  {                                                                                                    
    char line[128];                                                                                    
    snprintf(line,sizeof(line),"%s,%d\n",msg,cnt);//将msg和cnt写入line缓冲区中                         
    write(fd,line,strlen(line));//将line写入fd中 strlen不要+1                                          
    cnt--;                                                                                             
  }                                                                                                    
  close(fd); //关闭文件                                                                                
  return 0;                                                                                            
}

此时重复运行可执行程序，打开log.txt文件 ，发现可以追加

系统层面 读取

O_RDONLY ： 读取

输入 man 2 read

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

从文件描述符fd中将我们想要的数据，按照数据块的方式读取出来

返回值代表多少字节，读取到文件结尾为0，失败为-1

#include<sys/types.h>    
#include<sys/stat.h>    
#include<fcntl.h>    
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<errno.h>    
#include<string.h>    
#define LOG "log.txt"        
int main()    
{    
  umask (0);//将权限掩码设置成0        
  int fd=open(LOG, O_RDONLY  );//打开一个文件,若文件不存在则重新创建一个        
  if(fd==-1)//说明打开失败        
  {    
    printf("fd:%d,errno:%d,errstring:%s\n",fd,errno,strerror(errno));//打印出错误信息        
  }    
  else    
  printf("fd :%d\n",  fd);                                                                                                                                                                  
 char buffer[1024];    
 ssize_t n= read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);//使用系统接口来进行IO的时候，一定要注意\0的问题    
 if(n>0)//成功了，实际读到了多少字节    
 {    
  buffer[n]='\0';    
  printf("%s\n",buffer);    
 }    
  close(fd); //关闭文件        
  return 0;    
}

运行可执行程序，可以直接读取到数据

总结

操作系统不相信任何用户，所以操作系统给用户提供系统调用

程序员调用库的接口，而库的接口必定要调用系统调用

打开文件的本质是文件相关的内容加载到内存里

把数据触发从磁盘到内存

把数据从自己的程序写入硬盘上，一定会涉及到对硬件的访问

用户不能使用c/c++库绕过操作系统去访问

软硬件各种资源属于操作系统的，操作系统是硬件的管理者


文章标签：
C++
C语言
Linux
程序员
关键词：
Linux文件
io文件
io linux
Linux IO
Linux io文件
6rjmqfdboo6zq
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