【Linux】低级IO

news/2024/10/28 20:27:28/

目录

一、文件的概念

二、C语言文件操作回顾

三、使用系统调用进行文件I/O

1、系统调用open

1.1open接口介绍

1.2open形参中标记位flags的意义

1.3open的使用

2、系统调用write

2.1write接口介绍

2.2write的使用

3、系统调用read

3.1read接口介绍

3.2read的使用

四、文件描述符fd

1、文件描述符

1.1进程如何找到自己打开的文件

1.2文件描述符fd为什么从3开始

1.3文件描述符fd和FILE的区别

2、文件描述符的分配规则

五、重定向

1、重定向的本质

2、重定向接口dup2

2.1输出重定向

2.2追加重定向

2.3输入重定

六、Linux中一切皆文件

一、文件的概念

1、空文件，在磁盘中也会占据空间，因为文件=内容+属性；

2、文件路径+文件名具有唯一性，如果没有指明文件路径，默认在当前路径下进行文件访问；

3、文件操作的本质是进程和被打开文件的关系。

二、C语言文件操作回顾

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{//FILE* fp=fopen(FILE_NAME,"w");//r(只读，出错)w(只写，新建)r+(读写，出错)w+(读写，新建)a(追加)a+(读写追加)FILE* fp=fopen(FILE_NAME,"r");//r(只读，出错)w(只写，新建)r+(读写，出错)w+(读写，新建)a(追加)a+(读写追加)if(fp==NULL){perror("fopen");return 1;}//int cnt=5;//while(cnt--)//{//    fprintf(fp,"%d%s\n",1,"jly");//向文件中写入数据//}char buffer[60];while(fgets(buffer,sizeof(buffer),fp)!=NULL)//遇到\n或num-1或文件末尾为一轮读取。{buffer[strlen(buffer)-1]='\0';//因为后面的puts会补个'\n',所以要先去除一个'\n'puts(buffer);//将str指向的C字符串写入标准输出(stdout)并附加换行符('\n')}fclose(fp);return 0;
}

C语言的文件操作可以看博主的这一篇文章：【C语言】文件相关函数详解

三、使用系统调用进行文件I/O

1、系统调用open

1.1open接口介绍

NAMEopen, creat - open and possibly create a file or deviceSYNOPSIS#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int open(const char *pathname, int flags);//用于处理文件已经存在的情况int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);//用于处理文件比存在的情况int creat(const char *pathname, mode_t mode);
RETURN VALUEopen() and creat() return the new file descriptor, or -1 if an error occurred (in which case, errno is set  appro‐priately).//open ()和 create ()返回新的文件描述符fd，如果出现错误，返回 -1(错误码被设置）
NOTESO_RDONLY（只读）, O_WRONLY（只写）, and O_RDWR（读写）O_CREAT（创建文件），O_TRUNC（清空文件），O_APPEND（追加）

1.2open形参中标记位flags的意义

参数flags是标记位的意思：标记位可以利用每个比特位只有01的特点，比特位之间通过按位或传递选项。（有点像单片机操纵寄存器的感觉）

//利用不同比特位打印对应结果
#include <stdio.h>
//只有一个比特位是1，其他位都是0
#define ONE (1<<0)
#define TWO (1<<1)
#define THREE (1<<2)
#define FOUR (1<<3)
#define FILE_NAME "log.txt"
void show(int flags)
{if(flag&ONE) printf("one ");if(flag&TWO) printf("TWO ");if(flag&THREE) printf("three ");if(flag&FOUR) printf("four ");printf("\n");
}
int main()
{show(ONE|TWO);//输出one twoshow(ONE|TWO|THREE|FOUR);//输出one two three fourreturn 0;
}

标记位flags使用三个宏进行传参，他们分别是O_RDONLY（只读）, O_WRONLY（只写）, 和O_RDWR（读写），结合上方代码，这三个宏为了表示不同的文件读取方式，内部二进制1的位置绝对不相同。

1.3open的使用

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{//umask(0);//将子进程的umask置0，后续创建的文件权限即为666//当文件不存在时，open的可写并不会创建log.txt，需要按位或上O_CREAT，加上创建文件功能，最后一个参数是文件创建时的权限int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT,0666);//最终权限=666&~umaskif(fd<0){perror("open");return 1;}close(fd);//使用系统调用close关闭文件指针return 0;
}

1、当文件不存在时，使用int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

如果目标文件不存在，open并不会像fopen那样帮助使用者创建对应文件，需要按位或O_CREAT，加上创建文件功能。第三个参数是创建文件的默认权限，如果不写，系统创建的文件会是乱码。

2、当文件存在时，使用int open(const char *pathname, int flags);

2、系统调用write

2.1write接口介绍

SYNOPSIS#include <unistd.h>ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);返回值：写入个数  目标写入文件  缓冲区数据位置   个数

2.2write的使用

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{//"w"==O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666清空式写入int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//"a"==O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666追加//int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);if(fd<0){perror("open");return 1;}char outBuff[60];int cnt=5;while(cnt){sprintf(outBuff,"%s:%d\n","jly",cnt--);write(fd,outBuff,strlen(outBuff));//将字符写入文件不用让strlen+1写入\n，除非就像在文件中写入\n}close(fd);return 0;
}

将字符写入文件中可以不用写入\n。

write再次对有文本内容的文件进行写入时，并不会和C语言文件操作中的"w"选项一样，先清空文本内容，而是直接覆盖，使用时可以加上O_TRUNC对文本先进行清空操作。

使用O_APPEND增加追加操作。

3、系统调用read

3.1read接口介绍

SYNOPSIS#include <unistd.h>ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
返回值：读取成功字节数       读取至缓冲区   要求读取字节

3.2read的使用

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FILE_NAME "log.txt"
int main()
{int fd=open(FILE_NAME,O_RDONLY | O_CREAT,0666);if(fd<0){perror("open");return 1;}char buffer[100];ssize_t num=read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);//留一个位置放\0if(num>0){buffer[num]='\0';//把\0补回去}printf("%s\n",buffer);close(fd);return 0;
}

四、文件描述符fd

1、文件描述符

1.1进程如何找到自己打开的文件

一个进程可以打开多个文件，操作系统为了管理这些打开的文件，需要为每个被打开的文件创建对应的内核数据结构标识文件（struct file{}），这个结构体中包含文件的大部分属性。

那么操作系统中被打开的文件这么多，进程是如何区分哪些文件是属于我的，哪些文件时非我的？那是因为进程的task_struct结构体中包含struct files_struct* files的结构体指针，这个指针指向struct files_struct这个结构体,这个结构体中存在一个叫做struct file* fd_array[]的结构体指针数组，数组中每个结构体指针指向对应被打开文件的struct file{}。

1.2文件描述符fd为什么从3开始

当我们在一个进程中用open打开多个文件时，通过打印fd的值，发现文件描述符fd从3开始分配。那0、1、2这三个文件描述符分配给谁了呢？

printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);
printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);
printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);

0、1、2默认被这三个流占用，所以我们打开的文件的文件描述符fd从3开始。

1.3文件描述符fd和FILE的区别

FILE* fp=fopen(FILE_NAME,"w");
int fd=open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);

系统调用访问文件必须使用文件描述符。而C语言中的FILE是一个结构体，这个结构体中包含了文件描述符。

2、文件描述符的分配规则

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{close(1);//关闭1int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//新文件fd为1if(fd<0){perror("open");return 1;}printf("%d\n",fd);//printf->stdoutfprintf(stdout,"%d\n",fd);//printf->stdoutfflush(stdout);//刷新缓冲区内容至文件log.txt中close(fd);return 0;
}

1、如果手动把文件描述符数组下标为1的fd关闭，那么后续用open打开一个新的文件，将会占用这个下标为1的位置。文件描述符的分配规则为：从小到大，按照顺序寻找最小的且没有被占用的fd位置。

2、fd为1的位置代表标准输出流，1被关闭，新文件被打开将会占用1。如果后续想要执行打印操作，文件内容将会被打印至这个新文件中。这是一种输出重定向。

五、重定向

1、重定向的本质

>输出重定向
>>追加
<输入重定向

重定向的本质：oldfd不变，在内核中更改newfd下标对应的struct file*的指针。

文件描述符的本质是数组下标，当系统运行时，默认已加载3个文件描述符，分别是标准输入（键盘）、标准输出（显示器）、标准错误（显示器），他们占据了数组0,1,2三个位置。

可以用close(1)手动关闭标准输出，再重新打开一个文件，这个新文件会占据数组为1的位置（标准输出）。如果后续使用printf或fprintf函数进行输出，数据将会输出重定向至这个新文件（因为这个新文件占据了标准输出）。

不过一般不会用手动关闭这三个文件描述符来达到重定向的效果，可以使用int dup2(int oldfd, int newfd);将文件拷贝至前三个文件描述符中，达到重定向的目的。

2、重定向接口dup2

SYNOPSIS#include <unistd.h>int dup2(int oldfd, int newfd);//将oldfd拷贝到newfd中fd             1
RETURN VALUE成功返回fd，失败返回-1

如果要输出重定向到fd对应的文件中，那么oldfd就是fd，newfd就是1。

函数功能为将oldfd描述符重定向到newfd描述符，相当于重定向完毕后都是操作oldfd所操作的文件 但是在过程中如果newfd本身已经有对应打开的文件信息，则会先关闭文件后再重定向（否则会资源泄露）

2.1输出重定向

使用dup2对上方输出重定向代码写法进行更改。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);if(fd<0){perror("open");return 1;}dup2(fd,1);//输出重定向到fd对应的文件printf("%d\n",fd);//printf->stdout，在fd对应的文件中打印fprintf(stdout,"%d\n",fd);//printf->stdout，在fd对应的文件中打印close(fd);return 0;
}

在fd对应的文件中进行printf和fprintf打印。

2.2追加重定向

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{int fd=open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);if(fd<0){perror("open");return 1;}dup2(fd,1);//输出重定向到显示器printf("%d\n",fd);//printf->stdoutfprintf(stdout,"%d\n",fd);//printf->stdoutconst char* str="jly";write(1,str,strlen(str));//将更多内容写入1中close(fd);return 0;
}

在fd对应的文件中进行printf和fprintf打印并进行write追加写入。

2.3输入重定

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{int fd=open("log.txt",O_RDONLY);if(fd<0){perror("open");return 1;}dup2(fd,0);//输入重定向，将fd的内容拷贝至0char line[60];while(1){if(fgets(line,sizeof(line),stdin)==NULL)//因为上方输入重定向了，所以这里stdin中会获取log.txt的内容{break;}printf("%s",line);}close(fd);return 0;
}

如果一个进程打开了文件并创建了子进程，子进程将会拷贝父进程的PCB及文件描述符表等大部分信息，包括曾经父进程打开的文件信息，但是文件是不会被拷贝的；只要一个进程退出，它的PCB、文件描述符表要被释放，指向文件的指针就变少。

六、Linux中一切皆文件

打开的struct file中会有一个函数指针，会作对应的初始化，指向对应驱动层的读写方法，通过读写方法，完成对应设备的读写。

用户站在struct file（文件的结构体对象）上层看来，所有的设备和文件，统一都是struct file，至于struct file内部是如何使用函数指针来调用对应设备文件的读写方法，用户并不了解也并不关心。所以在用户的视角下，Linux一切皆文件。


http://www.ppmy.cn/news/4828.html

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