系统章节-----基础IO-优快云博客

文件使用方式	含义	如果指定文件不存在
“r”（只读）	为了输入数据，打开一个已经存在的文本文件	出错
“w” （只写）	为了输出数据，打开一个文本文件（输出的时候会将之前的内容清空）	建立一个新的文件
“a”（追加）	向文本文件尾添加数据	出错
“rb”（只读）	为了输入数据，打开一个二进制文件	出错
“wb”（只写）	为了输出数据，打开一个二进制文件	建立一个新的文件
ab”（追加）	向一个二进制文件尾添加数据	出错
“r+”（读写）	为了读和写，打开一个文本文件	出错
“w+”（读写）	为了读和写，建议一个新的文件	建立一个新的文件
“a+”（读写）	打开一个文件，在文件尾进行读写	建立一个新的文件
“rb+”（读写）	为了读和写打开一个二进制文件	出错
“wb+”（读写）	为了读和写，新建一个新的二进制文件	建立一个新的文件
“ab+”（读写）	打开一个二进制文件，在文件尾进行读和写	建立一个新的文件

fwrite：向文件当中写

size_t fwrite(const void*ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE *stream);

参数：ptr：要往文件中写的内容

size：定义往文件中写的时候，一个块是多大，单位字节；（通常定义为一个字节）

nmemb：期望写多少块

stream：文件流指针

返回值：返回成功写入到文件的块数

通常情况下，代码调用时，这样设置：

size：1（1个块的大小是1字节）

nmemb：块的个数（期望写多少字节）

返回值：成功写入文件当中块的个数（成功写入文件中的字节数量）

fread：从文件当中读

size_t fread(void *ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE*stream)

参数：ptr：将文件中的内容保存到ptr指向的内存空间当中（这个内存空间一定要是合法的（程序员自己定义的））

size：定义从文件中读的时候，一个块是多大，单位字节；（通常定义为一个字节）

nmemb：期望读多少块

stream：文件流指针

返回值：返回成功读入的文件块的个数

fseek：移动文件流指针的位置

参数：stream：文件流指针

offset：偏移量

whence：将文件流指针偏移到什么位置

SEEK_SET：文件头部

SEEK_CUR：当前文件流指针的位置

SEEK_END：文件末尾

返回值：成功：0

失败：-1

int fclose(FILE*fp);关闭文件

fp：文件流指针

作用：关闭文件流（关闭文件）

注意：打开的文件使用完成之后一定要记得关闭文件，否则

当文件句柄持续泄露的时候，最终进程就不能打开新的文件了；内存泄漏，导致进程占用的内存资源过多，如果持续泄漏，操作系统是没有办法满足进程申请内存资源的请求，操作系统就会强杀进程

2.系统调用的文件接口

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

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

参数：pathname：要打开或创建的文件目录

flags：打开文件时可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行“或”运算，构成flags。

O_RDONLY：只读打开

O_WRONLY：只写打开

O_RDWR：读写打开

这三个常量，必须且只能指定一个

O_CREAT：若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明文件的访问权限

O_APPEND：追加写

举一个例子：O_RDWR | O_CREAT：以可读可写的方式打开文件，若文件不存在则创建它。

mode：当创建一个新文件的时候指定新创建文件的权限；传递一个8进制的数字（就是权限，例如0664）

返回值：成功：新打开的文件描述符

失败：-1

write：写

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

参数：fd：文件描述符

buf：将buf指向的内容写到文件当中去

count：期望写多少字节

返回值：返回写入的字节数量

read：读

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

参数：fd：文件描述符

buf：将文件当中读到的内容写到buf指向的空间当中去

count：期望读多少字节

返回值：返回读到的字节数量

lseek：移动文件流指针

off_t lseek(int fd,off_t offset,int whence);

参数：fd：文件描述符

offset：偏移量，字节单位

whence：偏移的位置

SEEK_SET：文件头部

SEEK_CUR：当前文件流指针的位置

SEEK_END：文件末尾

返回值：成功：返回偏移的位置，单位字节

失败：返回-1

close：

int close(int fd);

关闭文件描述符

3.文件描述符

（1）文件描述符：文件描述符就是一个小正数（没有负数）

（2）打印文件描述符的值

（3）文件描述符的分配规则：最小未使用

文件描述符不是固定进行分配，而是按照最小未使用原则进行分配的

由上图可知：当我们关闭0号文件描述符的时候，系统给我们fd分配的就是0

4.内核理解文件描述符

从task_struct的角度理解文件描述符是什么？
通过查看源码可知：

当我们创建一个进程的时候就会产生一个task_struct结构体，task_struct结构体中含有一个files_struct结构体指针，指向一个files_struct结构体，在这个files_struct结构体中有一个fd_array数组，文件描述符就是fd_array这个数组的下标。

面试题：一个进程最多打开多少个文件描述符？

这个问题的场景并不是在基础IO（面试官和你探讨文件操作的时候问道的），而大多数场景都是和面试官在讨论网络编程的时候，会被问到的。

系统当中针对一个进程打开的文件描述符的数量是有限制的。
通过ulimit -a可以查看到“open files”的大小，而“open files”的大小就是一个进程可以打开的文件描述符的数量。
我的机器中看到的“open files”的大小是1024/100001，也就是意味着，我的机器创建出来的进程最大打开的文件数量就是1024/100001
“open files”的大小并不是没有办法改变的，是可以通过ulimit -n[count]进行改变。

5.理解文件描述符和文件流指针的区别

（1）从源码的角度理解，文件流指针（struct _IO_FILE）是什么？

文件流指针FILE*及struct _IO_FILE是一个由C标准库定义的结构体，这个结构体中的一个int _filen元素保存文件描述符的数值。

这个结构体数组中含有我们在exit函数执行的时候清理缓冲区时提到的那个缓冲区：

现在就知道为什么_exit函数不清理缓冲区吗？

因为缓冲区是C标准库定义的，而_exit函数是系统调用函数，当然不会清理缓冲区了。

（2）将文件描述符和文件流指针结合起来

文件流指针对应的结构体 struct _IO_FILE这个结构体内部的成员变量 int _fileno保存了对应的文件描述符数值。

总结：文件流指针是标准库操作文件句柄，文件描述符是系统调用接口。

           文件流指针中包含了一个成员变量，这个成员变量中保存的就是文件描述符。

           库函数内部封装的就是系统调用函数。

           缓冲区是由C标准库定义的，是用户态的缓冲区，存在于文件流指针的结构体中。

6.重定向

（1）重定向的符号

>：清空重定向

>>：追加重定向

（2）重定向的接口

int dup2（int oldfd,int newfd）;

作用：将newfd的值重定向为oldfd，既newfd拷贝oldfd

参数：oldfd/newfd均是文件描述符

成功：1.关闭newfd

2.让newfd指向oldfd对应的struct file*结构体

失败：1.如果oldfd是一个非法/无效的文件描述符，则重定向失败；newfd没有变化

2.如果oldfd和newfd的值相等，则什么事都没干

（3）重定向代码

重定向标准输出到1.txt文件当中

7.静态库&动态库

什么是库：静态库和动态库都是程序代码的集合。一般是为了方便将程序提供给第三方使用，就是将程序编写成二进制库文件提供给第三方（用户）使用调用着不必关心内部实现，只需要关心如何使用（如何调用）即可

（1）动态库

特征：win：没有前缀，后缀为dll

linux：前缀为lib，后缀为.so

生成：使用gcc/g++编译器，增加两个命令行参数

-fPIC

-shared

生成动态库的代码中不需要包含main函数

使用：编译可执行程序的时候，依赖动态库

-L [path] ：指定动态库所在的路径

-l[动态库的名称（去掉前缀和后缀之后的名称）]：指定编译可执行程序时，依赖的动态库。

都有哪些方式让程序可以找到动态库：

1.将动态库放到可执行程序的路径下（不推荐）

2.配置LD_LIBBARY_PATH

动态库的环境变量：LD_LIBBARY_PATH（推荐的方式，公式中在客户机器部署的时候，常用的手段）

3.放到系统库的路径下：/lib64

（2）静态库

特征：win没有前缀，后缀为.lib

linux：前缀为lib，后缀为.a

生成：第一阶段：使用gcc/g++将源代码编译成为目标程序（.o）

第二阶段：使用ar -rc 命令编译目标程序成为静态库

ar -rc [静态库文件名称] [目标文件]

注意：如果直接使用源码时不行的

8.软硬链接

软连接：目标文件的快捷方式

生成：ln -s 源文件软连接文件

注意事项：

修改软连接文件，源文件也会被修改
源文件如果被删除，软连接文件还在的，修改软连接文件，会重新建立源文件，重新建立链接关系（这种要慎重）一定要在删除源文件的时候，将软链接文件也删除掉

硬链接：目标文件的替身

生成：ln 源文件硬链接文件

9.文件系统

我们使用 ls -l 的时候看到的除了看到文件名，还看到了文件元数据

stat可以看到更多信息

ext2文件系统：

Linux ext2文件系统，上图为磁盘文件系统图（内核内存映像肯定有所不同），磁盘是典型的块设备，硬盘分区被划分为一个个的block。一个block的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改。例如mke2fs的-b选项可以设定block大小为1024、2048或4096字节。而上图中启动块（Boot Block）的大小是确定的。

Block Group：ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。政府管理各区的例子
超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。SuperBlock的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了
GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息，有兴趣的同学可以在了解一下
块位图（ Block Bitmap ）： Block Bitmap 中记录着 Data Block 中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没

有被占用

inode 位图（ inode Bitmap ）：每个 bit 表示一个 inode 是否空闲可用。

i 节点表 : 存放文件属性如文件大小，所有者，最近修改时间等

数据区：存放文件内容

将属性和数据分开存放的想法看起来很简单，但实际上是如何工作的呢？我们通过 touch 一个新文件来看看如何工作。

[root@localhost linux]# touch abc

[root@localhost linux]# ls -i abc

263466 abc

为了说明问题，我们将上图简化：

创建一个新文件主要有一下 4 个操作：

1. 存储属性

内核先找到一个空闲的 i 节点（这里是 263466 ）。内核把文件信息记录到其中。

2. 存储数据

该文件需要存储在三个磁盘块，内核找到了三个空闲块： 300,500 ， 800 。将内核缓冲区的第一块数据复制到 300 ，下一块复制到 500 ，以此类推。

3. 记录分配情况

文件内容按顺序 300,500,800 存放。内核在 inode 上的磁盘分布区记录了上述块列表。

4. 添加文件名到目录

新的文件名 abc 。 linux 如何在当前的目录中记录这个文件？内核将入口（ 263466 ， abc ）添加到目录文件。文件名和 inode 之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来。