Linux基础IO

🏞️1. 系统文件I/O

📖1.1 接口介绍

操作文件，除了语言级别的接口，我们还可以采用系统接口来进行文件访问.

open()接口介绍：

#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);

pathname：要打开或者创建的目标文件

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.

选项：

O_RDONLY：只读打开
O_WRONLY：只写打开
O_RDWR：读、写打开，这三个常量，必须指定一个且只能指定一个

O_CREAT：若文件不存在，则创建它，需要指明mode选项，来指明新文件的访问权限

O_APPEND：追加写

返回值：

成功：新打开的文件描述符

失败：-1

介绍了这个接口之后，让我们先来简单使用一下它：

int fd = open("test.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC);

函数open()接受一些不同的标志. 在本例中，程序创建文件（O_CREAT），只能写入该文件，因为以（O_WRONLY）这种方式打开，并且如果该文件已经存在，则首先将其截断为0字节大小，删除所有现有内容（O_TRUNC）.

write()系统调用：

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

int main()
{
    int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);

    ssize_t s = write(fd, "aaa", 3);

    close(fd);

    return 0;
}

read()的第一个参数是文件描述符，从而告诉文件系统读取哪个文件，一个进程当然可以同时打开多个文件，因此文件描述符fd使操作系统能够知道某个特定的读取引用了哪个文件.

第二个参数指向一个用于放置read()结果的缓冲区.

第三个参数是缓冲区的大小.

📖1.2 creat系统调用

补充：creat()系统调用

创建文件的旧方法是调用creat()，如下所示：

int fd = creat("foo");

你可以认为creat()是open()加上以下标志：O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC，因为open()可以创建一个文件，所以creat()的用法有些失宠（实际上，它可能就是实现对open()的一个库调用），然而，它确实在UNIX知识中占有一席之地.

📖1.3 理解fd文件描述符

open()的一个重要方面是它的返回值：文件描述符.

文件描述符只是一个整数，是每个进程私有的，在Linux系统中用于访问文件，因此，一旦文件被打开，你就可以使用文件描述符来读取或写入文件，假如你有权这样做.

那么，我们所，open()系统调用的返回值是文件描述符，不妨我们将它打印出来看看：

观察结果为：3

接下来，不妨我们多创建几个文件看看：

int main()
{
    int fd1 = open("test1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
    int fd2 = open("test2.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
    int fd3 = open("test3.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
    int fd4 = open("test4.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
    int fd5 = open("test5.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);

    printf("fa1: %d\n", fd1);
    printf("fa2: %d\n", fd1);
    printf("fa3: %d\n", fd1);
    printf("fa4: %d\n", fd1);
    printf("fa5: %d\n", fd1);


    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
    close(fd5);

    return 0;
}

文件描述符的分配规则：在files_struct数组中，找到当前没有被使用的一个最小的下标，作为新的文件描述符.

📖1.4 不按顺序的读取和写入

到目前为止，我们已经讨论过了如何读取和写入文件，但所有访问都是顺序的，也就是说，我们从头到尾读取一个文件，或者从头到尾写一个文件，但是，有时能够读取或写入文件中的特定偏移量是有用的，例如：如果在文本文件上构建了索引并利用它来查找单词，最终可能会从文件中的某些随机偏移量中读取数据，为此，我们将使用lseek()系统调用，下面是函数原型：

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

If whence is SEEK_SET, the offset is set to offset bytes.
If whence is SEEK_CUR, the offset is set to its current location plus offset bytes.
If whence is SEEK_END, the offset is set to the size of the file plus offset bytes.

📖1.5 文件重命名

有了一个文件后，有时需要给一个文件一个不同的名字，在命令行键入时，这是通过mv命令完成的，在下面的例子中，文件foo被重命名为bar.

prompt> mv foo bar

利用strace，我们可以看到mv使用了系统调用rename(char* old, char* new)，它只需要两个参数：文件的原来名称和新名称.

rename()调用提供了一个有用的保证：它通常是一个原子调用，无论系统是否崩溃，如果系统在重命名期间崩溃，文件将被命名为旧名称或新名称，不会出现奇怪的中间状态.

int fd = open("foo.txt.tmp", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC);
write(fd, buffer, size); // write out new version of file
fsync(fd);
close(fd);
rename("foo.txt.tmp", "foo.txt");

这个例子中，编辑器做的事很简单：将文件的新版本写入临时名称（foot.txt.tmp），使用 fsync()将其强制写入磁盘. 然后，当应用程序确定新文件的元数据和内容在磁盘上，就将临时文件重命名为原有文件的名称. 最后一步自动将新文件交换到位，同时删除旧版本的文件，从而实现原子文件更新.

🌁2. 理解Linux下一切皆文件

在文件描述符中，0、1、2分别对应stdin, stdout, stderr，可是stdin是键盘，stdout是显示器，这也用文件来标识吗？

所以，我们应该如何用文件来标识硬件呢？又如何理解Linux下一切皆文件？

所以，当我们要向硬盘中写入数据时，操作系统的内存文件系统为硬盘创建一个struct file结构，并将struct file结构体中的读写方法函数指针指向对应硬盘的驱动读写方法，当我们想要写入数据时，用struct file中的读写方法便可以完成我们的操作，也实现了以统一的方式看待所有的设备，即Linux下一切皆文件.

🌠3. 理解重定向

📖3.1 重定向原理

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

int main()
{
    //关闭了stdout
    close(1);
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);

    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 0;
    }

    fprintf(stdout, "打开文件成功, fd: %d\n", fd);

    fflush(stdout);
    close(fd);

    return 0;
}

在这段代码中，进程将自己的stdout关闭，然后打开一个文件，文件描述符的分配规则：遍历文件描述符表，将第一个未分配的下标分配给当前打开的文件，也就是说，fd为1，当我们向stdout中写入数据时，即对应fd为1的文件，本应该写到显示器上的内容就写入到了log.txt中，这不就是重定向吗？

重定向原理：

📖3.2 dup2系统调用

#include <unistd.h>

int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2系统调用的作用是将本应该写入newfd中的内容写到oldfd中.

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

int main()
{
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);

    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 0;
    }

    //将本该写入到文件描述符1中的内容写入到fd中
    dup2(fd, 1);
	
    fprintf(stdout, "打开文件成功, fd: %d\n", fd);

    fflush(stdout);
    close(fd);

    return 0;
}

🌿4. 理解缓冲区

📖4.1 什么是缓冲区

缓冲区的本质就是一段内存.

📖4.2 为什么要有缓冲区？

1. 解放使用缓冲区的进程时间，可以只将写入放在缓冲区中，就可以做其他任务
2. 缓冲区的存在可以集中处理数据刷新，减少IO次数，从而达到提高整机效率的目的.

📖4.3 缓冲区存在哪里？

对于我们在进行文件操作时，缓冲区其实是封装在文件FILE结构体中的，可以通过设置刷新策略，来决定什么时候将缓冲区的数据刷新，即什么时候调用write()系统调用.

刷新的本质：把缓冲区的数据write到OS内部，清空缓冲区.

缓冲区存在FILE内部，在C语言中，我们每次打开一个文件，都有一个对应的FILE* 返回，那么也就意味着，每一个文件都有一个fd和属于它自己的语言级别缓冲区.

接下来，我们可以自己试着封装一个FILE来模拟一下这个缓冲区的实现：

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

#define NUM 1024

#define NONE_FLUSH 0x0
#define LINE_FLUSH 0x1
#define FULL_FLUSH 0x2

typedef struct _MyFILE
{
    int _fileno;
    char _buffer[NUM];
    int _end;
    int _flags;  //fflush method
}MyFILE;

MyFILE* my_fopen(const char* filename, const char* method)
{
    assert(filename);
    assert(method);

    int flags = O_RDONLY;

    if(strcmp(method, "r") == 0)
    {}
    else if(strcmp(method, "r+"))
    {}
    else if(strcmp(method, "w") == 0)
    {
        flags = O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC;
    }
    else if(strcmp(method, "w+") == 0)
    {}
    else if(strcmp(method, "a") == 0)
    {
        flags = O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND;
    }
    else if(strcmp(method, "a+") == 0)
    {}

    int fileno = open(filename, flags, 0666);
    if(fileno < 0)
    {
        return NULL;
    }

    MyFILE* fp = (MyFILE*)malloc(sizeof(MyFILE));
    if(fp == NULL)
        return fp;
    
    memset(fp, 0, sizeof(MyFILE));
    fp->_fileno = fileno;
    fp->_flags |= LINE_FLUSH;
    fp->_end = 0;

    return fp;
}

void my_fflush(MyFILE* fp)
{
    assert(fp);

    if(fp->_end > 0)
    {
        write(fp->_fileno, fp->_buffer, fp->_end);
        fp->_end > 0;
        syncfs(fp->_fileno);
    }
}

void my_fwrite(MyFILE* fp, const char* start, int len)
{
    assert(fp);
    assert(start);
    assert(len > 0);

    //将数据写入缓冲区
    strncpy(fp->_buffer + fp->_end, start, len);
    fp->_end += len;

    if(fp->_flags & NONE_FLUSH)
    {}
    else if(fp->_flags & LINE_FLUSH)
    {
        if(fp->_end > 0 && fp->_buffer[fp->_end - 1] == '\n')
        {
            //写到内核中
            write(fp->_fileno, fp->_buffer, fp->_end);
            fp->_end = 0;
            syncfs(fp->_fileno);
        }
    }
    else if(fp->_flags & FULL_FLUSH)
    {}
}

void my_fclose(MyFILE* fp)
{
    my_fflush(fp);
    close(fp->_fileno);
    free(fp);
}

🍁5. 硬链接和软链接

在谈论软硬链接之前，我们先使用一下它：

建立软链接：

建立硬链接：

那么，我们明显观察到了软链接和硬链接的一个不同：

软链接的inode编号与它所链接的文件不同，而硬链接的inode编号与它所链接的文件是相同的.

其实，软链接是一个独立的文件，而硬链接就是单纯在Linux指定的目录下，给指定的文件新增文件名和inode编号的映射关系.

怎么使用软硬链接呢？

首先我们来看软链接的使用：

现在，我们在距离当前目录较远的目录下建立一个可执行程序：

如果不使用软链接，我们在执行可执行程序的时候就需要带上指定路径，但有了软链接，我们就可以在当前目录下为它建立一个软链接，从而直接执行它：

硬链接的使用：

在使用硬链接之前，首先我们来认识一个叫硬链接数的概念：

硬链接数本质就是该文件inode属性中的一个计数器，标识有几个文件名和我的inode建立了映射关系.

一个普通文件的默认硬链接数就是1，因为它自己的文件名就和它的inode建立了映射.

创建一个空的目录，它的默认链接数是2：

因为除了它自己的文件名和自己的inode建立了链接，在它的目录下，还有一个.与它的inode也建立了映射.