文件理解：从C标准库到系统调用_c库文件系统-优快云博客

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
    FILE *fp = fopen("myfile", "w"); // 以写模式打开文件
    if (!fp) 
    {
        printf("fopen error!\n");
        return 1;
    }
    const char *msg = "hello bit!\n";
    int count = 5;
    while (count--) 
    {
        fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp); // 将字符串写入文件
    }
    fclose(fp); // 关闭文件
    return 0;
}

fopen 函数用于打开或创建文件。"w" 模式表示以写模式打开文件，如果文件不存在则创建一个新文件，如果文件存在则清空其内容。
fwrite 函数将指定内存区域的内容写入文件。第一个参数是内存区域的指针，第二个参数是每个元素的大小，第三个参数是元素的数量，第四个参数是文件指针。
fclose 函数用于关闭文件，释放与文件相关的资源。

2. 文件的读取

以下是一个使用 C 标准库函数 fread 读取文件的示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
    FILE *fp = fopen("myfile", "r"); // 以读模式打开文件
    if (!fp) 
    {
        printf("fopen error!\n");
        return 1;
    }
    char buf[1024];
    const char *msg = "hello bit!\n";
    while (1) 
    {
        ssize_t s = fread(buf, 1, strlen(msg), fp); // 从文件中读取数据到缓冲区
        if (s > 0) 
        {
            buf[s] = 0; // 将缓冲区内容转换为字符串
            printf("%s", buf);
        }
        if (feof(fp)) 
        {   
            // 检查是否到达文件末尾
            break;
        }
    }
    fclose(fp);
    return 0;
}

fopen 函数以读模式打开文件。
fread 函数从文件中读取数据到指定的缓冲区。第一个参数是缓冲区的指针，第二个参数是每个元素的大小，第三个参数是元素的数量，第四个参数是文件指针。
feof 函数用于检查文件是否已到达末尾。

3. 数据输出到显示器

以下是一个使用多种方法将数据输出到显示器的示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
    const char *msg = "hello fwrite\n";
    fwrite(msg, strlen(msg), 1, stdout); // 使用 fwrite 输出到标准输出
    printf("hello printf\n"); // 使用 printf 输出
    fprintf(stdout, "hello fprintf\n"); // 使用 fprintf 输出

    return 0;
}

stdout 是标准输出流，指向显示器。
fwrite、printf 和 fprintf 都可以将数据输出到标准输出流。

4. 标准输入输出流

C 语言默认提供三个标准输入输出流：

stdin：标准输入流，默认为键盘输入。
stdout：标准输出流，默认为显示器输出。
stderr：标准错误流，默认为显示器输出。

以下是一个示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
    char buf[1024];
    ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf)); // 从标准输入（文件描述符0）读取
    if (s > 0) 
    {
        buf[s] = 0;
        write(1, buf, strlen(buf)); // 写入到标准输出（文件描述符1）
        write(2, buf, strlen(buf)); // 写入到标准错误（文件描述符2）
    }
    return 0;
}

文件描述符 0 对应 stdin。
文件描述符 1 对应 stdout。
文件描述符 2 对应 stderr。

二、C 标准库文件操作模式

C 标准库的 fopen 函数支持多种文件操作模式，以下是一些常见的模式：

模式	描述
`r`	打开纯文本文件以只读方式，文件不能不存在。
`r+`	打开纯文本文件用于读/写，文件不能不存在。
`w`	打开纯文本文件用于写覆盖，若文件存在则清空，不存在则创建。
`w+`	打开纯文本文件用于读/写覆盖，若文件存在则清空，不存在则创建。
`a`	打开纯文本文件用于在文件尾部追加写入。
`a+`	打开纯文本文件用于读/写，并在尾部追加新数据。

以下是一个使用 a+ 模式的示例：

#include <stdio.h>

int main() 
{
    FILE *fp = fopen("myfile", "a+"); // 追加写入模式
    if (!fp) 
    {
        printf("fopen error!\n");
        return 1;
    }
    const char *msg = "add new line\n";
    fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp);
    fclose(fp);
    return 0;
}

a+ 模式表示以读写方式打开文件，并在文件尾部追加新数据。

三、系统调用文件操作

1. 文件的打开与描述符

以下是一个使用系统调用 open 打开文件的示例：

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

int main() 
{
    umask(0); // 设置文件权限掩码
    int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0644); // 打开或创建文件
    if (fd < 0) 
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    const char *msg = "hello bit!\n";
    int len = strlen(msg);
    write(fd, msg, len); // 写入数据到文件
    close(fd); // 关闭文件
    return 0;
}

open 函数用于打开或创建文件。第二个参数是标志位，第三个参数是文件权限。
O_WRONLY | O_CREAT 表示以只写方式打开文件，如果文件不存在则创建。
0644 是文件权限，表示文件所有者具有读写权限，组用户和其他用户具有只读权限。
write 函数将数据写入文件。第一个参数是文件描述符，第二个参数是数据的指针，第三个参数是数据的长度。
close 函数用于关闭文件描述符。

2. 文件的读取

以下是一个使用系统调用 read 读取文件的示例：

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

int main() 
{
    int fd = open("myfile", O_RDONLY); // 以只读模式打开文件
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    const char *msg = "hello bit!\n";
    char buf[1024];
    ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg)); // 读取文件数据
    if (s > 0) {
        printf("%s", buf);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

read 函数从文件描述符中读取数据。第一个参数是文件描述符，第二个参数是数据的缓冲区，第三个参数是最大读取长度。
返回值 s 表示实际读取的字节数。

3. 文件操作标志

系统调用 open 的第二个参数是标志位，以下是一些常见的标志位：

标志位	描述
`O_RDONLY`	以只读方式打开文件。
`O_WRONLY`	以只写方式打开文件。
`O_RDWR`	以读写方式打开文件。
`O_CREAT`	如果文件不存在则创建。
`O_APPEND`	以追加模式写入。
`O_TRUNC`	如果文件存在，则清空文件内容。
`O_EXCL`	如果使用 `O_CREAT` 标志时文件已存在，则失败。

4. 文件权限

系统调用 open 的第三个参数是文件权限，使用八进制表示。以下是一些常见的权限位：

权限位	描述
`0400`	所有者具有读权限。
`0200`	所有者具有写权限。
`0100`	所有者具有执行权限。
`0040`	组用户具有读权限。
`0020`	组用户具有写权限。
`0010`	组用户具有执行权限。
`0004`	其他用户具有读权限。
`0002`	其他用户具有写权限。
`0001`	其他用户具有执行权限。

5. 文件描述符

文件描述符是一个小整数，由操作系统分配。
程序默认拥有三个文件描述符：
- 0：标准输入（stdin）。
- 1：标准输出（stdout）。
- 2：标准错误（stderr）。

以下是一个使用文件描述符输出数据的示例：

#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() 
{
    char buf[] = "Hello World!\n";
    write(1, buf, strlen(buf)); // 使用文件描述符1（stdout）输出
    return 0;
}

write(1, buf, strlen(buf)) 表示将数据写入到标准输出流。

文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files, 指向一张表files_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针。本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件。

四、C 标准库与系统调用的比较

1. 功能对比

功能	C 标准库	系统调用
文件打开	`fopen`	`open`
文件读取	`fread`	`read`
文件写入	`fwrite`	`write`
文件关闭	`fclose`	`close`
文件定位	`fseek`	`lseek`
标准输入输出	`stdin, stdout, stderr`	文件描述符0、1、2