Linux基础IO【文件操作】

前面讲过C语言的文件操作，文件操作是基础IO的重要部分，下面我们就来学习一下Linux中的文件操作

1. 文件认识

先来讲述对于文件的几个疑问

文件是怎么构成的，放在哪里？

文件 = 内容 + 属性
文件被分为两大类：磁盘文件、内存文件(被打开的文件)
文件没有被操作的时候，一般放在磁盘上
文件被操作的时候，文件属性会被加载到内存中，冯诺依曼体系规定

文件操作的本质是什么？

对文件的操作无非就两种：对内容进行操作或者对属性进行操作，这里讲述后者
文件操作本质就是将需要的文件属性加载到内存中，操作系统一定同时存在大量的被打开的文件，同时操作系统也要管理这些被打开的文件，通过先描述再组织的方式
先描述就是构建在内存中的文件结构体struct file，来存储文件属性进行管理，这个结构体可以从磁盘上拿到，再组织就是通过数据结构来组织，比如：链表来连接结构体节点

文件是谁打开的？

文件是被操作系统打开的，是由用户创建进程，进程让操作系统完成打开文件的任务

所有语言的文件操作，本质上都是调用系统级接口进行操作，要针对底层系统级文件操作进行学习

2. 回顾C文件接口

先来回顾一下C语言的文件操作

2.1 打开文件

使用fopen函数打开文件

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

fopen函数

返回值：打开文件失败返回NULL
filename参数：要打开的文件名，直接使用文件名，此文件需要位于当前程序目录下，可以使用绝对路径来指定目录存放
mode参数：文件打开方式
- w：只写，文件写入前会先清空文件原内容，如果文件不存在会自动创建它
- a：追加，在文件末尾对文件追加写入内容，不会清空原内容
- r：只读，打开指定文件进行读取操作，如果文件不存在则会打开失败
- w+、a+、r+：可读可写、可读可追加、可读可写，其中只有r+不会自动创建文件

2.2 关闭文件

文件打开使用完后需要关闭，使用fclose函数关闭文件

int fclose ( FILE * stream );

对FILE*指针进行操作，只能关闭已打开的文件，文件不存在会报错

FILE* fd = fopen("text.txt", "w"); //打开文件

//...文件使用...

fclose(fd);  //关闭文件

2.3 文件写入

C语言中的文件写入方式

int fputc ( int character, FILE * stream );  //逐字符写入

int fputs ( const char * str, FILE * stream );  //逐行写入

size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );  //二进制格式化写入

int fprintf ( FILE * stream, const char * format, ... );  //格式化写入

int snprintf ( char * s, size_t n, const char * format, ... );

前几个都比较简单，来讲解一下snprintf

s参数：缓冲区
n参数：缓冲区大小
format参数：格式化输入

使用snprintf函数将数据写到缓冲区后，可以通过fputs函数将缓冲区中的数据写入文件中

#include <stdio.h>

#define TEXT "text.txt"

int main()
{
   
   
  FILE* fd = fopen(TEXT,"w");
  if(fd == NULL)
  {
   
   
    perror("fopen fail!");
    exit(-1);
  }

  const char* message = "hello world";

  char buffer[256]; //缓冲区
  int n = 5;
  while(n--)
  {
   
   

    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s %d\n", message, n); //向缓冲区写入内容
    fputs(buffer, fd); //将缓冲区中的内容写入文件
  }

  fclose(fd);
  return 0;
}

2.4 文件读取

C语言中的文件读取方式

int fgetc ( FILE * stream );

char * fgets ( char * str, int num, FILE * stream );

size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );

int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... );

int sscanf ( const char * s, const char * format, ...);

这里的sscanf用于按照一定规则格式化读取字符串

#include <stdio.h>

int main()
{
   
   
  char s[] = "2023,7,20";
  int arr[3];
  char* buffer[4];

  sscanf(s, "%d,%d,%d", arr, arr + 1, arr + 2);
  printf("%d %d %d\n", arr[0], arr[1], arr[2]);
  return 0;
}

更多C语言文件操作细节可以查看文章《C语言文件操作详解》

3. 系统文件操作接口

3.1 打开文件open

系统级打开文件接口open

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

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

open函数讲解

返回值：成功返回新打开的文件描述符，失败返回-1
pathname参数：待操作文件名
flags参数：打开文件时，可以传入多个参数选项构成
mode参数：权限设置，文件默认权限为0666

讲解一下flags参数

flags是一个int类型的变量，它有32个比特位，这里选项有很多，如O_APPEND、O_CREAT、O_TRUNC等
32个比特位每一个都可以表示一个标志位，这样就有32个标志位，也就是对应的可以有32个选项。这种数据结构就是是位图，使用位图进行多参数传递

知道了特性，下面用一个小demo来展示一下位图

#include <stdio.h>

#define ONE 0x1
#define TWO 0x2
#define THREE 0x4

//模拟实现选项传递
void out(int flags)
{
   
   
  if(flags & ONE) printf("1111\n");
  if(flags & TWO) printf("2222\n");
  if(flags & THREE) printf("3333\n");
}

int main()
{
   
    
  out(ONE);
  printf("-----------\n");
  out(TWO);
  printf("-----------\n");
  out(ONE | TWO);
  printf("-----------\n");
  out(ONE | TWO | THREE);
  printf("-----------\n");
  return 0;
}

每个比特位来设置一个选项，可以直接通过传入参数的形式执行不同的功能

列举几个open系统调用中的flags选项

O_APPEND  //文件用追加的方式被打开
O_CREAT   //如果文件不存在就会自动创建
O_RDONLY  //只读模式
O_WRONLY  //只写模式
O_TRUNC   //清理文件

试用一下

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define TEXT "text.txt"

int main()
{
   
   
  //两种参数组合体现fopen中的a选项
  int fd = open(TEXT, O_CREAT | O_WRONLY, 0666); //权限最好加上
  if(fd == -1)
  {
   
   
    perror("open fail1");
    return;
  }
  else 
  {
   
   
    printf("fd: %d, errno: %d, errstring: %s\n",fd, errno, strerror(errno));
  }

  close(fd);
  return 0;
}

这里的mode是权限，有以下几种情况

S_IRWXU  00700 user (file owner) has read, write and execute permission
S_IRUSR  00400 user has read permission
S_IWUSR  00200 user has write permission
S_IXUSR  00100 user has execute permission
S_IRWXG  00070 group has read, write and execute permission
S_IRGRP  00040 group has read permission
S_IWGRP  00020 group has write permission
S_IXGRP  00010 group has execute permission
S_IRWXO  00007 others have read, write and execute permission
S_IROTH  00004 others have read permission
S_IWOTH  00002 others have write permission
S_IXOTH  00001 others have execute permission

注意：

权限可以直接以数字的形式给出
若文件不存在，mode参数最好设置，不然的话创建出的文件权限是随机值
umask默认为0002，可以自定义

3.2 关闭文件 close

系统级关闭文件接口close，它是根据文件描述符来关闭文件的

#include <unistd.h>

int close(int fildes);

Linux下的三个标准流为：stdin、stdout、stderr，分别对应的文件描述符为：0、1、2，可以通过close(1)来关闭标准流

3.3 文件写入 write

系统级文件写入接口write

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);

使用方法与fwrite基本相同，返回值有所差异：成功返回写入的字节总数，失败返回-1并且errno被设置

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define TEXT "text.txt"

int main()
{
   
   
  //三种参数组合体现fopen中的w选择
  int fd = open(TEXT, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);    
  if(fd == -1)
  {
   
   
    perror("open fail1");
    return;
  }
  else 
  {
   
   
    printf("fd:%d, errno:%d, errstring:%s\n",fd, errno, strerror(errno));
  }

  const char* message = "hello world\n";
  int count = 5;
  while(count--)
  {
   
   
    write(fd, message, strlen(message)); //这里不能将'\0'写入文件中
  }

  close(fd);
  return 0;
}

注意：使用write写入字符串时，不要加上 '\0'当作结尾，因为对于系统来说，'\0'也是个普通的字符，'\0' 作为字符串结尾只是 C语言 的规定

3.4 文件读取 read

系统级文件读取接口read

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);

read函数在读取文件时，也是借助缓冲区进行读取，不过只支持按指定字符数读取，无法按行读取，返回值和write相同

//读取text.txt中内容
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define TEXT "text.txt"

int main()
{
   
   
  int fd = open(TEXT, O_RDONLY, 0664);
  if(fd == -1)
  {
   
   
    perror("open fail1");
    return;
  }

  char buffer[256]; //缓冲区
  size_t ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
  if(ret > 0)
  {
   
   
    buffer[ret] = '\0';
    printf("%s\n", buffer);
  }

  close(fd);
  return 0;
}

//读取myfile.c中的66个字符
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define TEXT "myfile.c"

int main()
{
   
   
  int fd = open(TEXT, O_RDONLY, 0664);
  if(fd == -1)
  {
   
   
    perror("open fail1");
    return;
  }

  int n = 66; //要读取的字符数
  char buffer[256];
  int pos = 0;
  while(n--)
  {
   
   
    read(fd, (char*)buffer + pos, 1);
    pos++;
  }

  printf("%s\n", buffer);

  close(fd);
  return 0;
}

4. 系统调用和库函数

我们上面回顾了C语言的文件操作库函数，讲解了文件操作系统级的接口，在Linux下，无论是什么语言，在进行文件操作时所使用的函数，本质上都是对系统调用接口的封装，在文件操作中，是无法直接与硬件(磁盘)交互的，必须经过系统调用接口到操作系统再到驱动程序这一途径

Linux基础IO【文件操作】，到这里就介绍结束了，本篇文章对你由帮助的话，期待大佬们的三连，你们的支持是我最大的动力！

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Linux基础IO【文件操作】

Linux基础IO【文件操作】

1. 文件认识

2. 回顾C文件接口

2.1 打开文件

2.2 关闭文件

2.3 文件写入

2.4 文件读取

3. 系统文件操作接口

3.1 打开文件open

3.2 关闭文件 close

3.3 文件写入 write

3.4 文件读取 read

4. 系统调用和库函数

龙蜥操作系统

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