【Linux从入门到精通】文件I/O操作（C语言vs系统调用）

🙋‍♂️ 作者：@Ggggggtm 🙋‍♂️

👀 专栏：Linux从入门到精通 👀

💥 标题：文件操作💥

** ❣️ 寄语：与其忙着诉苦，不如低头赶路，奋路前行，终将遇到一番好风景 ❣️**

本篇文章主要会讲解C语言的文件IO相关操作的函数，同时也会对Linux下的文件操作系统调用接口进行讲解。希望本篇文章会对你有所帮助。

一、C语言的文件IO相关函数操作

1、1 fopen与fclose

fopen() 函数原型：FILE *fopen(const char *filename, const char *mode); 作用：打开一个文件，并返回一个文件指针。 参数：

• filename：要打开的文件名（含路径）。

• mode：打开文件的模式，如 "r" 表示只读，"w" 表示写入（如果文件存在则清空内容），"a" 表示追加写入等。

  具体如下图：

fclose() 函数原型：int fclose(FILE *stream); 作用：关闭一个打开的文件。 参数：

• stream：要关闭的文件指针。

  具体可结合下图理解：

我们知道使用 fopen 时需要添加索要打开文件的路径。当我们以w的方式进行打开时，该文件不存在会自动创建文件，具体代码如下图：

#include<stdio.h>    
    
int main()    
{    
    FILE* fd = fopen("log.txt","w");    
    if(fd==NULL)    
    {    
        perror("fopen");    
    }    
    
    fclose(fd);  
    
    //while死循环完全是为了方便查看和观察
    while(1)
    {
        sleep(1);
    }                                                                                                                                        
    return 0;    
} 

上述代码中，fopen中并没有添加路径，只有一个文件名字。那么能打开成功吗？其次是，当前目录下并没有 log.txt 文件，如果能打开成功，文件会被创建到哪里呢？我们带着这些疑问接着往下看。

我们不妨先观察一下运行结果，如下图：

我们看到确实能够出创建出来，也是创建在了当前目录了！这是为什么呢？当一个程序运行起来后，会在内存中创建相应的数据结构，同时变成进程。该进程包含了当前所在的工作目录，且还有当前的可执行文件所在的目录。具体如下图：

所以即使我们并没有添加路径，操作系统也会知道当前所在的路径。并且默认创建到当前的工作路径下。

1、2 fwrite

fwrite的函数原型：size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream)。用于将数据块按字节写入文件。参数：

• ptr：指向要写入的数据的指针。

• size：要写入的每个数据项的字节数。

• count：要写入的数据项的数量。

• stream：目标文件的指针。

  我们也可看下图理解：

我们现在用fwrite向log.txt中写入，具体代码如下：

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

int main()
{
    FILE* fp = fopen("log.txt","w");
    if(fp==NULL)
    {
        perror("fopen");
    }
   //进行文件操作
   const char *s1 = "hello Linux\n"; 
   fwrite(s1, strlen(s1), 1, fp);

  
    fclose(fp);    
    return 0;
}

这里有一个问题：在写入文件时，要不要把s1的‘\0’写入呢？答案是不用。字符串结尾标志'\0'只是C语言规定的。文件并不用遵守C语言的规则！我们看运行结果：

log.txt文件中确实被写入了。假如我们注释掉写入的代码，只是打开后直接关闭文件，结果会是什么呢？如下图：

文件内容为空了！！！为什么呢？原因是以“w”的方式打开文件，就是在写入前会被清空文件内容。

1、3 fprintf与fscanf

fprintf() 函数原型：int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...); 作用：向文件中按指定格式写入数据。 参数：

• stream：要写入的文件指针。

• format：格式化字符串，类似于printf()函数的格式化参数。 返回值：成功写入的字符数，出错时返回负值。

  fprintf与printf相比，fprintf第一个参数是FILE* ，其他的都一样。只不过是输出到了指定的文件上。

fscanf() 函数原型：int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...); 作用：从文件中按指定格式读取数据。 参数：

• stream：要读取的文件指针。

• format：格式化字符串，类似于scanf()函数的格式化参数。 返回值：成功读取并匹配的项目数量，出错或到达文件结尾时返回EOF。

  fscanf() 与scanf() 相比，fscanf() 第一个参数是FILE* ，其他的都一样。读取数据时，是从指定的文件上读取。

这里我们就举例说明fsacnf，我们想要把文件的内容读取并输出，代码如下：

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<string.h>    
    
int main()    
{    
    FILE* fp = fopen("log.txt","r");    
    if(fp==NULL)    
    {    
        perror("fopen");    
    }    
        
    char line[128];    
    while(fscanf(fp,"%s",line) != EOF)    
    {                                                                                                                                                        
        printf("%s\n", line);    
    }   
    return 0;
} 

运行结果如下：

注意，当我们要读取内容是，要修改打开文件的方式，应该以“r”的方式打开文件。否则会出现意想不到的结果！！！

1、4 fgets与fputs

fgets() 函数原型：char *fgets(char *str, int n, FILE *stream); 作用：从文件中读取一行字符串。 参数：

• str：要读取的字符串存放的缓冲区。

• n：最多读取的字符数（包括换行符）。

• stream：要读取的文件指针。 返回值：成功时返回str，失败或到达文件结尾时返回NULL。

  具体如下图：

fputs() 函数原型：int fputs(const char *str, FILE *stream); 作用：向文件中写入一个字符串。 参数：

• str：要写入的字符串。
• stream：要写入的文件指针。 返回值：成功写入的字符数，出错时返回EOF。

具体如下图：

我们结合下述实例来理解fgets和fputs的用法，代码如下：

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<string.h>    
    
int main()    
{    
    FILE* fp = fopen("log.txt","r");    
    if(fp==NULL)    
    {    
        perror("fopen");    
    }     
    char line[64];
    //fgets -> C -> s(string) -> 会自动在字符结尾添加\0
    while(fgets(line, sizeof(line), fp) != NULL)                                                                                                             
    {
        //printf("%s", line);
        fputs(line, stdout); //输出到屏幕上
    }
    fclose(fp);
    return 0;
} 

​

运行结果如下：

二、系统调用相关接口

2、1 open与close

open()函数：open函数用于打开文件并获取文件描述符。它接受一个文件路径和一组标志作为参数，并返回一个用于后续文件操作的文件描述符。函数原型：int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode)。详细解释：

• 函数说明：打开文件并获取文件描述符。

• 参数： - pathname：要打开的文件路径。- flags：打开文件的标志，例如O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（读写）等。- mode：在创建新文件时使用的权限位。

• 返回值： - 成功：返回一个非负整数，表示文件描述符。- 失败：返回-1，并设置errno来指示错误。

  具体可结合下图理解：

有很多的选项，我们想要添加那个选项，只需要在第二个参数 按位与（‘|’） 上就行。为什么 按位与（‘|’）呢？这里涉及到了位图的知识。想要知道的可以去了解一下位图。

close()函数：close函数用于关闭打开的文件。它接受文件描述符作为参数，并返回一个表示成功与否的状态值。 函数原型：int close(int fd)。详细解释：

• 函数说明：关闭打开的文件。
• 参数： - fd：要关闭的文件描述符。
• 返回值： - 成功：返回0。- 失败：返回-1，并设置errno来指示错误。

我们通过如下实例来理解open和close。代码如下：

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

    
int main()    
{    
      int fd1 = open("log.txt", O_RDONLY);
      int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666); //rw-rw-rw-
      if(fd1 < 0 || fd2 < 0)
      {
          perror("open");                                                                                                                                  
          return 1;
      }
      close(fd1);
      close(fd2);

      return 0;
} 

运行结果如下：

确实打开成功了。为什么log2.txt与我们设置的权限并不相同呢？不要忘记了系统中还有umask掩码。

2、2 write和read

write()函数：write函数用于向文件中写入数据。它接受文件描述符、要写入的数据和字节数作为参数，并返回实际写入的字节数。函数原型：ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)。详细解释：

• 函数说明：向文件中写入数据。
• 参数： - fd：要写入的文件描述符。- buf：要写入的数据的缓冲区。- count：要写入的字节数。
• 返回值： - 成功：返回实际写入的字节数。- 失败：返回-1，并设置errno来指示错误。

read()函数：read函数从文件中读取数据。它接受文件描述符、缓冲区指针和要读取的字节数作为参数，并返回实际读取的字节数。函数原型：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)。详细解释：

• 函数说明：从文件中读取数据。
• 参数： - fd：要读取的文件描述符。- buf：用于存储读取数据的缓冲区。- count：要读取的最大字节数。
• 返回值： - 成功：返回实际读取的字节数。- 失败：返回-1，并设置errno来指示错误。

write和read用起来也相对简单。这里就不再举例详细解释说明了。

三、简易模拟实现cat指令

我们知道，cat是打印出一个文件的内容。我们学习了文件操作后，就来简单的模拟实现一下cat指令。

cat指令不就是接受到文件，然后打印出文件的内容吗。这好像就是我们刚刚学了文件操作。我们直接看代码：

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<string.h>
int main(int argc,char* argv[])
{    
    if(argc != 2)     
    {    
        printf("argv error!\n");    
        return 1;    
    }    
    FILE *fp = fopen(argv[1], "r");     
    if(fp == NULL)    
    {    
        //strerror    
        perror("fopen");    
        return 2;    
    }    
    
    //按行读取                                                                                                                                               
    char line[64];    
    //fgets -> C -> s(string) -> 会自动在字符结尾添加\0 
    // 将文件的内容打印到屏幕上   
    while(fgets(line, sizeof(line), fp) != NULL)    
    {    
        //printf("%s", line);    
        fprintf(stdout, "%s", line); //fprintf->stdout?
    }
    fclose(fp);
    return 0;
}

在运行时加上文件名就可以打印出文件的内容了。再加上我们之前讲到的创建子进程进行程序替换实现的简易版的shell，不就是实现了cat指令嘛！！！我们看输出结果：

四、总结

本篇文章讲述了一系列的文件操作函数。其实我们学的C语言的文件操作函数，底层都是封装的系统调用的接口。因为我们对文件的写入和读取，不就是对硬盘的写入和读取吗！文件可是放在硬盘上的。语言想要访问硬件设备，必须通过操作系统！！！

每套语言都是有自己的文件操作函数，底层都是封装的系统调用的接口。但是操作系统不只是有Linux，还有windows等等。那语言就是封装所有的操作系统的接口呗。只不过是在调用时会有选择判断。这样封装后，语言就有了跨平台性。

上文中有一个名词：文件描述符。我们并没有对此进行详解。下篇文章会对此进行讲解。这个也是一个重点！！！

本片文章的讲解就到这里。感谢阅读ovo~