Linux中的文件操作

1. 前置理论

• 所有输入/输出设备（如网络、磁盘和终端）都表现为文件，所有输入和输出都是通过读取和写入适当的文件来执行的。这种从硬件设备到文件的映射接口称为I/O，它使所有输入和输出都能够以统一的方式执行。

• 应用程序通过请求内核打开相应的文件，内核返回一个非负整数，称为描述符，用于在文件的所有后续操作中标识该文件。

• 操作系统从文件中将数据加载到内存是通过一个batch（n个字节构成），目的是可以以一种统一的方式读写。当读取时，超过了文件中的batch数，则会返回EOF（它并不代表文件的真实结尾，真实的字符数会小于读取的字符；文件末尾也不会存在EOF这个标识符，文件中的batch数是由进程维护的，这个在写入时就已经计算出来了。读取时会根据进程中的信息来判断到底需要读取多少个batch）

• VFS虚拟文件系统：进程中，在task_struct中存在files_struct结构体，而这个结构体包含了一个文件描述符数组fd_array，这是一个指针数组，所谓的文件描述即是这个数组的下标。数组每个元素指向了内存中对应文件的管理结构体struct file。在struct file中包含了对文件进行读写等操作的函数指针，可以指向不同的函数，满足了对不同文件实现不同方式的读写。实现不同外设的驱动可以通过修改这些函数指针指向的函数，特制相应的操作。
  

• 文件描述符分配规则：系统在fd_array中找一个最小的未被使用的数组下标分配给新创建打开的文件。

• 文件包括文件内容和文件属性，新创建的文件即使没有写入，也会在磁盘上占用一部分空间用来存储文件的属性信息。

2. C标准库提供的函数接口

C标准库通过FILE类型的结构体来维护文件，结构体中包含了文件描述符，若想打印出某个文件的描述符，可以通过stdout-> _fileno这个语句来获得。我们常说的标准输入、标准输出、标准错误其本质也是由FILE *指向的文件

stdin ——键盘,其FILE结构体中包含的文件描述符fd=0
stdout ——显示器,其FILE结构体中包含的文件描述符fd=1
stderr —— 显示器,其FILE结构体中包含的文件描述符fd=2

在C标准库中，可以使用以下几个函数来创建和读取文件：

• fopen

#include <stdio.h>
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
// FILE *fp = fopen("./test","w+");

path：文件的路径，例如“/usr/test.c”

mode: 打开文件的方式。r 以只读的方式打开存在的文件；r+ 对存在的文件可读可写； w 创建和重新写入；w+ 可读可写，若文件不存在则创建 ； a 创建和附加写入 a+读和附加写入

• flose

int fclose(FILE *fp);

关闭文件描述符为fp的文件。

• 写入函数

int printf(const char *format, ...);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int sprintf(char *str, const char *format, ...);

int fputc(int c, FILE *stream); //带c的，会将传入字符转化为十进制的ASCII码，返回写入字符的ASCII码
int putc(int c, FILE *stream);
int putchar(int c);  //相当于fputc(char, stdout);
// # 例子
//int main()
// {
//     FILE *fp = fopen("./test.txt","w+");
//     std::string str = "hello world\n";
//     for(int i = 0; i < str.size(); i++)
//     {
//         // int a = fputc(str[i], stdout);
//         // int a = putc(str[i], stdout);
//         int a = putchar(str[i]);
//         std::cout << ":" << a << " ";
//     }
//     str[str.size()] = '\n';
//     return 0;
// }

// # 例子
int fputs(const char *s, FILE *stream); 
int puts(const char *s);
// const char *p = "hello world!\n";
// fputs(p, stdout);
// puts(p);

• 读取函数

int fgetc(FILE *stream);  //错误返回EOF；使用例子：putc(fgetc(stdin), stdout);
int getc(FILE *stream);  
int getchar(void); //默认从stdin中读取 

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

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

• 判断成功

int feof(FILE *stream); //检测EOF（end-of-file）
int ferror(FILE *stream);//检测错误
int fileno(FILE *stream);//返回流文件描述符

3. Linux系统提供的调用接口

3.1 创建并读写

• open

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

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

pathname: 文件打开的路径；

flags:必须包含以下任意一种模式 O_RDONLY（只读）, O_WRONLY（只写）, or O_RDWR（读写）。可选包含： O_APPEND、O_CREAT、O_EXCL（保证了文件是新创建的，否则open失败）、O_TRUNC（清空文件中原来的内容）

mode:设定了文件的权限。类似于-r-xrwxrwx。实际结果与umask有关。

返回值：返回了打开或创建的文件描述符。出错返回-1.

• close

#include <unistd.h>
int close(int fd);

• write

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

fd :写入文件的描述符。

buf：将要写入的文件内容。

count：需要写入字符的个数。

返回值：成功返回写入的字符数；失败返回-1。

• read

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

buf:将要传入内容的空间。

返回值：成功返回读到的字节数，并且更新指向文件内容的指针（会继续从这个指针指向的位置读取）；失败返回-1。

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

int main()
{
    int fd = open("./test.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644);
    char buf[1024] = {0};
    if (fd < 0)
    {
        printf("open file failed\n");
        exit(-1);
    }
    const char* Str = "hello world!\n";
    write(fd, Str,strlen(Str));  //系统调用函数和C不同，不用传入'\0'标志结尾
    write(fd, Str,strlen(Str));

    fd = open("./test.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644); //需要重新打开这个文件
    ssize_t reN = read(fd, buf,sizeof(buf) - 1);
    if(reN >= 0)
    {
        //buf[reN] = '\0';  //将'\0'写入buf以供C函数读取。也可不写，因为数组初始化为0
        printf("%s", buf);
    }
    else
        printf("error\n");
    return 0;
}

结果：

[test@VM-12-4-centos test1]$ ./main 
hello world!
hello world!
[test@VM-12-4-centos test1]$ cat test.txt 
hello world!
hello world!

3.2 重定向

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

newfd是oldfd的拷贝，即将oldfd维护的文件同时交给newfd维护，newfd之前的内容被覆盖，此时文件描述符newfd被用于维护oldfd所维护的内容。

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

int main()
{
    int fd = open("./input.txt", O_CREAT |  O_RDWR | O_TRUNC, 0644);
    dup2(fd, 0); 

    char *p = "hello world\n";
    write(0, p, strlen(p));
    close(fd);

    fd = open("./input.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644);
    dup2(1, fd);  
    write(fd, p, strlen(p));
    close(fd);

    return 0;
}

结果：

[test@VM-12-4-centos dup2]$ ./test 
hello world
[test@VM-12-4-centos dup2]$ cat input.txt 
hello world