【Linux笔记】基础IO(上)
一、理解文件
文件类型
普通文件：包含用户数据，如文本文件、二进制可执行文件、图像文件、音频文件等。文本文件可以用文本编辑器打开查看和编辑，二进制文件则包含了机器可执行的指令或特定格式的数据。
目录文件：用于组织和管理其他文件和目录，类似于 Windows 系统中的文件夹。它包含了指向其他文件和目录的索引信息。
设备文件：在Linux中，硬件设备也被视为文件，分为字符设备文件和块设备文件。字符设备文件通常用于像串口、终端这样以字符流方式进行数据传输的设备；块设备文件用于如硬盘、U盘等以块为单位进行数据读写的设备。
链接文件：类似于 Windows系统中的快捷方式，分为硬链接和软链接（符号链接）。硬链接是同一个文件的多个名称，它们共享相同的 inode号；软链接则是指向另一个文件的特殊文件，有自己独立的 inode 号。
管道文件：主要用于进程间通信，允许两个或多个进程之间进行数据的传递和共享。
套接字文件：用于网络通信或本地进程间通信，是网络编程和一些进程间通信机制的重要组成部分。
狭义理解
文件在磁盘里。
磁盘是永久性存储介质，因此⽂件在磁盘上的存储是永久性的。
磁盘是外设（即是输出设备也是输入设备）
磁盘上的文件 本质是对文件的所有操作，都是对外设的输⼊和输出 简称 IO 。
广义理解
• Linux 下⼀切皆文件（键盘、显示器、网卡、磁盘…… 这些都是抽象化的过程）
文件操作的归类认知
• 对于 0KB 的空文件是占用磁盘空间的
• 文件是文件属性（元数据）和文件内容的集合（文件 = 属性（元数据）+ 内容）
• 所有的文件操作本质是文件内容操作和文件属性操作
系统角度
对文件的操作本质是进程对文件的操作
磁盘的管理者是操作系统
文件的读写本质不是通过 C 语⾔ / C++ 的库函数来操作的（这些库函数只是为用户和提供方便），而是通过文件相关的系统调用接口来实现的
二、C语言文件接口
打开文件
#include <stdio.h>
int main()
{
FILE *fp = fopen("myfile", "w");
if(!fp)
{
printf("fopen error!\n");
}
while(1);
fclose(fp);
return 0;
}
写文件
int main()
{
FILE* fp=("myfile","w");
if(!fp)
{
printf("perror\n");
}
const char* msg="gujidaxian"
int count=5
while(count--)
{
fwrite(msg,strlen(msg),1,fp);
}
fclose(fp);
return 0;
}
读文件
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
// 以只读模式打开文件 "myfile"
FILE *fp = fopen("myfile", "r");
if (!fp) {
// 若文件打开失败，输出错误信息并返回 1
printf("fopen error!\n");
return 1;
}
// 定义一个长度为 1024 的字符数组用于存储从文件中读取的数据
char buf[1024];
const char *msg = "hello bit!\n";
while (1) {
// 从文件中读取数据到 buf 数组，每次读取 strlen(msg) 个字节
ssize_t s = fread(buf, 1, strlen(msg), fp);
if (s > 0) {
// 在读取的数据末尾添加字符串结束符
buf[s] = '\0';
// 输出读取的数据
printf("%s", buf);
}
// 检查是否到达文件末尾，如果是则跳出循环
if (feof(fp)) {
break;
}
}
// 关闭文件
fclose(fp);
return 0;
}
实现简单cat命令:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char* argv[]) {
// 检查命令行参数数量是否为 2
if (argc != 2) {
printf("argv error!\n");
return 1;
}
// 以只读模式打开命令行参数指定的文件
FILE *fp = fopen(argv[1], "r");
if (!fp) {
printf("fopen error!\n");
return 2;
}
// 定义一个字符数组用于存储从文件中读取的数据
char buf[1024];
// 进入循环，持续从文件中读取数据
while (1) {
// 从文件中读取数据到 buf 数组，每次最多读取 sizeof(buf) 个字节
int s = fread(buf, 1, sizeof(buf), fp);
if (s > 0) {
// 在读取的数据末尾添加字符串结束符
buf[s] = '\0';
// 输出读取到的数据
printf("%s", buf);
}
// 检查是否到达文件末尾，如果是则跳出循环
if (feof(fp)) {
break;
}
}
// 关闭文件
fclose(fp);
return 0;
}
C语言stdin & stdout & stderr
我们把信息输出到显示器，有几种方法
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
const char *msg = "hello fwrite\n";
fwrite(msg, strlen(msg), 1, stdout);
printf("hello printf\n");
fprintf(stdout, "hello fprintf\n");
return 0;
}
C会默认打开三个输入输出流，分别是stdin & stdout & stderr
这三个流的类型都是FILE*, fopen返回值类型，文件指针
#include <stdio.h>
extern FILE *stdin;
extern FILE *stdout;
extern FILE *stderr;
stdin是标准输入，对应键盘文件。stdout是标准输出，对应显示器文件。stderr是标准错误，对应显示器文件。为什么这样设置，因为程序是做数据处理的。
打开文件的方式
当以w的方式打开文件的时候，也就是想向文件内写内容。文件会先被清空。
echo进行重定向就是用w的方式打开文件然后进行写入
第一次把aaaaa重定向进文件log.txt，然后第二次把bbbbbb重定向进文件log.txt,发现第一次重定向的内容被清空了。
当以a的方式打开文件的时候，也是向文件内写入内容。只不过这是追击内容，之前的内容不会被清空。
echo进行追加重定向是用a的方式打开文件，然后追加写入内容。
先把aaaaa重定向写入文件log.txt，然后第二次进行追加重定向把bbbbb以追加的方式写入文件log.txt。此时之前的内容不会被清空。
三、系统文件IO
上面聊的C语言的文件操作只是语言层上的打开方式。但是系统才是打开文件的最底层的方案。我们也可以以系统接口的方式访问文件。
系统接口
#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。
参数:
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。需要使⽤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
写入文件
清空并写入
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
umask(0);
int fd=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666);
if(fd<0)
{
perror("open");
return 1;
}
printf("fd: %d\n",fd);
const char* msg="hello hhh";
int cnt=1;
while(cnt--)
{
write(fd,msg,strlen(msg));
}
close(fd);
return 0;
}
追加并写入
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
umask(0);
int fd=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666);
if(fd<0)
{
perror("open");
return 1;
}
printf("fd: %d\n",fd);
const char* msg="hello bbbb";
int cnt=1;
while(cnt--)
{
write(fd,msg,strlen(msg));
}
close(fd);
return 0;
}
注意上面的加入函数umask(0);就可以自己规范权限。
读文件
int main()
{
int fd = open("myfile", O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
perror("open");
return 1;
}
const char *msg = "hello bit!\n";
char buf[1024];
while(1)
{
ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg));//类⽐write
if(s > 0)
{
printf("%s", buf);
}
else
{
break;
}
}
close(fd);
return 0;
}
这里的接口都是系统调用，而上面的c语言的文件操作都是语言层面上的调用。其实语言层里面的调用里面都封装着系统级别的调用。
四、文件描述符
文件描述符是一个非负整数，它是 Linux 内核为了管理文件操作而给每个打开的文件或其他 I/O 资源（如管道、套接字等）分配的一个标识符。可以将其理解为一个指向内核中代表打开文件的数据结构的索引，通过这个索引，程序能够方便地对相应的文件或资源进行各种读写等操作。
在操作系统层面接口层面，系统只认文件描述符(fd)。所有根据前面所讲，语言层面肯定封装了文件fd。
int main()
{
printf("stdin: %d\n",stdin->_fileno);
printf("stdout: %d\n",stdout->_fileno);
printf("stderr: %d\n",stderr->_fileno);
int fd1=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666);
int fd2=open("log2.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666);
int fd3=open("log3.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666);
int fd4=open("log4.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666);
if(fd1<0) exit(1);
if(fd2<0) exit(1);
if(fd3<0) exit(1);
if(fd4<0) exit(1);
printf("fd1 : %d\n",fd1);
printf("fd2 : %d\n",fd2);
printf("fd3 : %d\n",fd3);
printf("fd4 : %d\n",fd4);
close(fd1);
close(fd2);
close(fd3);
close(fd4);
}
看上面代码，普通进行系统层面的文件操作比如用系统接口进行读操作写操作等，文件描述符是从3开始的。但是语言层面的标准输入标准输出标准错误，是从0-2。(当然其他语言的也是这样)
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含⼀个指针数组，每个元素都是⼀个指向打开文件的指针！所以，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，就可以找到对应文件。
文件描述符的分配规则
int main()
{
umask(0);
int fd=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666);
if(fd<0)
{
perror("open");
return 1;
}
printf("fd:%d\n",fd);
close(fd);
return 0;
}
正常情况打开，一个文件。文件描述符从3开始。
关闭files_sructs数组0下标位置，发现打开文件描述符下标位置为0。
int main()
{
umask(0);
close(0);
int fd=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666);
if(fd<0)
{
perror("open");
return 1;
}
printf("fd:%d\n",fd);
close(fd);
return 0;
}
通过上面示例发现，在files_struct数组中，找到当前没有使用的最小的一个位置的小标，作为新的文件描述符的位置。
重谈重定向
上面谈过，echo重定向本质是通过语言层面进行文件操作把内容写进文件。从上面也知道语言层面的接口都封装系统层面的调用。下面谈一谈系统层面是如何进行重定向的。
最小的没有被使用的fd，最为新的fd分配给用户。
当我们把fd下标为2，标准输出的位置关了，我们文件的内容的fd会自动分配到下标为2位置。
使用dup2系统调用
int main() {
// 打开文件，如果文件不存在则创建，同时以读写模式打开
int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR);
if (fd < 0) {
perror("open");
return 1;
}
// 关闭标准输出文件描述符
close(1);
// 将文件描述符 fd 复制到标准输出文件描述符（1）
dup2(fd, 1);
for (;;) {
char buf[1024] = {0};
// 从标准输入读取数据到缓冲区
ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
if (read_size < 0) {
perror("read");
break;
}
// 输出读取到的内容
printf("%s", buf);
// 刷新标准输出缓冲区
fflush(stdout);
}
return 0;
}
标准错误
向标准输出和标准错误里打信息
标准输出和标准错误都是显示器文件，想把标准输出和标准错误的信息重定向一个文件。这样是不行的。可以发现两者在两个文件中
用下面这个指令进行重定向，重定向到了两个文件
用下面这个指令可以把两者重定向到一个文件
为什么存在一个标准错误呢？可以通过重定向能力把常规消息和错误消息进行分离。以方便后续用户进行操作好区分。
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