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【Linux】基础IO_文件操作

Linux 文件基础 IO 操作

2023-06-13 09:18:22 时间

环境：centos7.6，腾讯云服务器 Linux文章都放在了专栏：【Linux】欢迎支持订阅 相关文章推荐： 【Linux】冯.诺依曼体系结构与操作系统【C/进阶】如何对文件进行读写（含二进制）操作？

预备知识

在C语言阶段，我们学习过相关文件操作，但是，我们真的了解文件操作吗？

答案是并不了解，因为我们之前所学习的C语言文件操作，都是属于语言层面的操作，我们只是知道了fopen，fclose这些函数是怎么用，但是具体的底层原理并没有涉及接触。实际上，当涉及到文件操作的原理时，就不再是简单的语言问题，而是属于系统问题。

是否只有我们的C/C++才可以对文件进行操作呢？

答案也是否定的，其它比如JAVA、Python等语言也支持相关文件操作，只是不同语言的实现方法（语言级别）不同罢了，但是底层（系统级别）都会涉及到系统层面的相关操作。

如何看待文件？

文件=内容＋属性，对文件的相关操作--->对内容/属性的相关操作
文件存放在磁盘中，只有当我们打开文件进行相关操作时，文件的属性会被加载到内存（冯诺伊曼体系结构决定，CPU只与内存交互）
对于大量被打开的文件，OS会进行管理，OS会创建struct file结构体，该结构体内包含对应文件的属性（先描述），然后通过某种数据结构，将各个文件对应的结构体连接起来（再组织）。对被打开文件的管理--->对该数据结构的增删查改。

文件是怎么打开的？由谁打开？

由用户通过创建进程(写代码，编译运行)，底层会通过系统调用，从而让OS打开文件。
本章所讨论的文件操作都是针对被打开的文件。

文件操作

语言级别的文件操作（C）

文件的打开

 FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

对于该函数path表示打开或创建的目标文件（默认会在当前路径下创建/打开），mode表示文件的打开方式。对于mode来说，这里就简单介绍以下几种（更多的在前文:点击跳转）：

打开方式	含义	假如文件不存在
"w"（只写）	为了输出数据，打开一个文本文件	自动创建该文件，并且在写入前会清空原文件
"r"（只读）	为了输入数据，打开一个已经存在的文件	打开失败
"a"（追加）	向文本文件尾添加数据	自动创建该文件，追加前不会清空原文件

FILE* fp1=fopen("./TEST/log.txt", "w");//只写，文件不存在在，在./TEST/下创建该文件
FILE* fp2=fopen("log.txt","a");//追加,文件不存在，在当前路径下创建该文件
FILE* fp3=fopen("log.txt","r");//只读，同一个文件可以被打开多次

文件的关闭

int fclose(FILE *fp);//对已打开的文件进行关闭。

对于一个被打开的文件，最后一定要关闭该文件。这就好比我们malloc出来的空间一定要free一样。fclose与fopen配套使用。

fclose(fp1);  
fclose(fp2);  
fclose(fp3);

文件的写入

C语言提供的写函数一共有以下几种：

函数	功能	适用于
fputc	以一个字符为单位进行写入	所有输出流
fputs	以一行为单位进行写入	所有输出流
fwrite	二进制写入	文件
fprintf	格式化写入	所有输出流
snprintf	格式化写入	所有输出流

对于上面的大多数函数，这里就不做过多讲解，可以自行前去观看，这里讲一下snprintf。snprintf是fprintf的优化版本，相较于fprintf，可以对写入数据进行长度控制，会更加安全。

int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);

str:表示要写入的缓冲区的地址
size：表示该缓冲区的大小
format:格式化可变参数(比如："%d:%s\n",x,y )

演示代码如下：

 #include<stdio.h>
 #include<stdlib.h>
 
 #define SIZE 128
 
 int main()
 {
   FILE* fp=fopen("log.txt","w");//写
   //打开失败返回空
   if(fp==NULL)
   {
     perror("fopen fail\n");
     exit(-1);
   }
   char buffer[SIZE];
   int cnt=10;
   const char* st="hello world!";
   while(cnt)
   {
     //格式化写入到buffer数组
     snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%d:%s\n",cnt,st);
     //再将数组内容写到文件                                                                                                                    
     fputs(buffer,fp);
     --cnt;
   }
   //关闭文件
   fclose(fp);
   return 0;
 }

文件的读取

对于文件的读取，C提供的函数与上面一一对应，用法也是如此

文件读取演示：

 #include<stdio.h>
 #include<stdlib.h>
 #include<string.h>
 #define SIZE 128
   
 //文件的读取
 
 int main()
 {
   FILE* fp=fopen("log.txt","r");//读方式打开
   if(fp == NULL)
   {
     perror("fopen fail\n");
     exit(-1);
   }
   //按行来读取文件
   while(1)
   {
     //从文件流中按行读取内容，读到tmp中
     char tmp[SIZE];
     if(fgets(tmp,sizeof(tmp),fp)==NULL)
     {
       break;
     }
     //打印tmp
     printf("%s",tmp);                                                                                                                         
   }
   //关闭文件
   fclose(fp);
   return 0;
 }

系统级别的文件操作

以上都是语言级别的文件相关操作。至此往下将讲解系统级别的相关文件操作。

文件的打开

对于文件的打开，我们采用open系统调用函数。如下：

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

//系统调用函数open
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

对于该函数，有如下理解：

返回值：打开成功，返回一个int类型的整数->文件描述符（下一章将重点讲解），失败返回-1。
参数pathname：打开或创建的目标文件（默认在当前路径打开/创建）。
参数flags：多参数选项，用一个整形来实现多个选项的传递。以下为flags对应的参数选项，通常用或位运算来表示一个或多个参数。

对于多参数选项flags：

参数选项	含义
O_RDONLY	只读
O_WRONLY	只写
O_CREAT	若文件不存在则创建该文件，与open的第三个参数mode（设置权限）配套使用
O_APPEND	追加
O_TRUNC	打开文件前清空原文件

多参数传递实际上采用的就是位图的方式来实现，一个整形一共32个比特位，每一个比特位都可以用来表示一个参数，用|运算符则可以实现一个整形传递多个参数选项。

我们可以利用此特点来自己实现一个小demo，如下图所示：

参数flags便是利用此特点来实现一个整形多个参数选项。与我们的C语言对应关系如下;

参数mode：创建文件时给文件一个权限

文件的关闭

通过系统调用函数close来关闭一个文件，该函数如下：

#include <unistd.h>

int close(int fd);

其中这里的fd就是文件描述符，也就是open函数返回的那个整形。具体含义将在下一篇详细讲解。

文件写入

通过函数write来实现文件的写入操作

#include <unistd.h>

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

对于该函数：

返回值：写入成功，会返回写入的内容的大小（单位：字节）失败返回-1
参数fd：文件描述符即open函数的返回值
参数buf：缓冲区的地址
参数count：表示写入的文件的大小

具体案例操作：

 #include<stdio.h>
 #include<stdlib.h>
 #include<string.h>
 #include<unistd.h>
 #include<sys/types.h>
 #include<sys/stat.h>
 #include<fcntl.h>
 
 #define SIZE 128
 
 int main()
 {
   umask(0);//设置umask为0
   int fd=open("log.txt",O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);//以写的方式打开文件，文件不存在则创建，打开之前会清空原文件，创建时文件权限为0666
   //打开失败
   if(fd == -1)
   {
     perror("open fail\n");
     exit(-1);
   }
 
   char buffer[SIZE];//充当缓冲区的buffer数组
   const char* str="hello world";
   int cnt=10;
   //利用snprintf进行格式化写入到缓冲区，再写入到文件
   while(cnt)                                                                                                                                  
   {
     snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%d:%s\n",cnt,str);
     --cnt;
     ssize_t n=write(fd,buffer,strlen(buffer));//这里我们不需要将/0计算在内，因为/0是C语言规定的字符串结尾，此时我们处于系统级别
     printf("成功写入%lu个字节内容\n",n);//%lu：无符号整型

     //间隔1秒写入一次                                                                                                                        
    sleep(1);
   }
   //关闭文件
   close(fd);
   return 0;
 }

运行结果如下：

文件的读取

对于文件的读取，提供了函数read

#include <unistd.h>

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

对于该函数:

返回值：读取成功，返回读取的内容的大小，失败返回-1
参数fd：文件描述符
参数buf：缓冲区地址，用来存放读到的数据
count：一次读取字符的大小到缓冲区buf

具体操作如下：

 #include<stdio.h>
 #include<stdlib.h>
 #include<string.h>
 #include<unistd.h>
 #include<sys/types.h>
 #include<sys/stat.h>
 #include<fcntl.h>
 
 #define SIZE 128
 
 //文件读取
 
 int main()
 {
   int fd=open("log.txt",O_RDONLY);//读方式打开文件
   if(fd== -1)
   {
     perror("open fail\n");
     exit(-1);                                                                                                                                 
   }
   char buffer[SIZE];//读到的内容放进buffer数组
   //注意处理\0
   ssize_t n=read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);
   //读取成功
   if(n>0)
   {
     buffer[n]='\0';
     printf("%s共读取%lu字节的内容\n",buffer,n);//字符串结尾的标志\0(这里我们用printf打印，属于C语言级别，所以得考虑\0的存在)
   }
   //关闭文件
   close(fd);
   return 0;
 }

运行结果如下：

语言操作与系统级别的文件操作区别

实际上，我们所有的语言级别的文件操作都是对系统调用的封装，比如我们使用的fclose，fopen等函数，他们的底层实际上都会调用对应的系统级别的函数，比如close、open等。也就是说，语言级别的文件操作的底层，并不会直接跳过OS，而是一层一层往下进行。

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