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Linux基础IO【文件理解与操作】

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黎明

文章目录

🌇前言

**文件操作是 

基础IO

学习的第一步，我们在 

C语言

进阶中，就已经学习了文件相关操作，比如 

fopen

和 

fclose

，语言层面只要会用就行，但对于系统学习者来说，还要清楚这些函数是如何与硬件进行交互的**

调用库函数进行文件操作时的流程

调用流程

🏙️正文

1、文件理解

先来通过几个问题来理解文件

文件操作的本质是什么？

  • 语言层面的文件操作就是直接使用库函数，而事实上，文件操作是系统层面的问题，就像进程管理一样，系统也会通过 先描述，再组织 的方式对文件进行管理、操作

**只有 

C/C++

这种偏底层的语言才有文件操作吗？**

  • 并不是，其他语言也支持文件操作，如 Java；在进行文件操作时，不同语言使用方法可能有所不同，但 本质上都是在调用系统级接口进行操作

文件由什么构成？一般文件放在哪里？

  • 文件 = 内容 + 属性
  • 未使用的文件位于 磁盘，而使用中的文件 属性 会被加载至内存中
  • 本文讨论的是已被加载至内存文件的相关操作

系统是如何区分文件的？

  • 文件可以同时被多次使用，OS 为了管理好文件，会像使用 task_struct 管理进程一样，通过 struct file 存储文件属性进行管理
  • struct file 结构体包含了文件的各种属性和链接关系

文件是由谁打开的？

  • 由用户创建进程，调用系统级接口，再交给 OS 完成文件打开任务，文件写入与读取时也是同理

总结：**真正的文件操作需要结合系统底层学习，而我们之前的文件操作都是 

进程

与 

OS

间的交互**

2、C语言文件操作

在学习 系统级文件操作 前，需要先回顾一下 

C语言

中的文件操作

2.1、文件打开

FILE * fopen (constchar* filename,constchar* mode );

通过文件名以指定打开方式，打开文件

打开方式(参数2)

  • w 只写，如果文件不存在，会新建，文件写入前，会先清空内容
  • a 追加，在文件末尾，对文件进行追加写入，追加前不会清空内容
  • r 只读，打开已存在的文件进行读取，若文件不存在，会打开失败
  • w+、a+、r+ 读写兼具，区别在于是否会新建文件，只有 r+ 不会新建
//打开文件进行操作//在当前目录中打开文件 log.txt//注意：同一个文件，可以同时多次打开
FILE* fp1 =fopen("log.txt","w");//只读
FILE* fp2 =fopen("log.txt","a");//追加
FILE* fp3 =fopen("log.txt","r");//只写，文件不存在会打开失败

FILE* fp4 =fopen("log.txt","w+");//可读可写
FILE* fp5 =fopen("log.txt","a+");//可读可追加
FILE* fp6 =fopen("log.txt","r+");//可读可写，文件不存在会打开失败

**若文件打开失败，会返回空 

NULL

，可以在打开后判断是否成功**

注意：若参数1直接使用文件名，则此文件需要位于当前程序目录下，如果想指定目录存放，可以使用绝对路径

2.2、文件关闭

文件打开并使用后需要关闭，就像动态内存申请后需要释放一样

int fclose ( FILE * stream );

关闭已打开文件，只需通过 

FILE*

指针进行操作即可

//对上面打开的文件进行关闭//无论以哪种方式打开，关闭方法都一样fclose(fp1);fclose(fp2);fclose(fp3);fclose(fp4);fclose(fp5);fclose(fp6);

注意：只能对已打开的文件进行关闭，若文件不存在，会报错

2.3、文件写入

**

C语言

对于文件写入有这几种方式：

fputc

、

fputs

、

fwrite

、

fprintf

和 

snprintf

**

int fputc (int character, FILE * stream );int fputs (constchar* str, FILE * stream );

size_t fwrite (constvoid* ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );int snprintf (char* s, size_t n,constchar* format,...);

前几种方式比较简单，无非就是 逐字符写入、逐行写入 与 格式化写入，这里主要来介绍一下 

snprintf

**

snprintf

是 

sprintf

的优化版，增加了读取字符长度控制，更加安全**

  • 参数1：缓冲区，常写做 buffer 数组
  • 参数2：缓冲区的大小
  • 参数3：格式化输入，比如 "%d\n", 10

**使用 

snprintf

函数写入数据至缓冲区后，可以再次通过 

fputs

函数，将缓冲区中的数据真正写入文件中**

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#define LOG "log.txt" //日志文件#define SIZE 32intmain(){
  FILE* fp =fopen(LOG,"w");if(!fp){perror("fopen file fail!");//报错exit(-1);//终止进程}char buffer[SIZE];//缓冲区int cnt =5;while(cnt--){snprintf(buffer, SIZE,"%s\n","Hello File!");//写入数据至缓冲区fputs(buffer, fp);//将缓冲区中的内容写入文件中}fclose(fp);
  fp =NULL;return0;}

结果
得益于格式化控制，可以灵活地向日志文件中写入内容

2.4、文件读取

读取与写入配套出现

int fgetc ( FILE * stream );char* fgets (char* str,int num, FILE * stream );

size_t fread (void* ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );int fscanf ( FILE * stream,constchar* format,...);int sscanf (constchar* s,constchar* format,...);

**可以使用 

sscanf

按照一定的规则格式化读取字符串 

s

**

#include<stdio.h>intmain(){char s[]="2023:3:24";int arr[3];char* buffer[4];sscanf(s,"%d:%d:%d", arr, arr +1, arr +2);printf("%d\n%d\n%d\n", arr[0], arr[1], arr[2]);return0;}

结果
这个函数多用于 序列化与反序列化操作

关于更多 

C语言

文件操作的知识 《C语言进阶——文件操作》

3、系统级文件操作

**回顾完 

C语言

文件相关操作后，就可以开始系统级文件操作的学习了**

3.1、打开 open

**首先学习如何直接调用调用系统级函数 

open

打开文件**

#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>intopen(constchar*pathname,int flags);intopen(constchar*pathname,int flags, mode_t mode);//可以修改权限

说明

3.1.1、函数理解

**返回值：不同于 

FILE*

，系统级文件打开函数返回类型为 

int

，即 

文件描述符（ file descriptor ）

，文件打开失败返回 

-1

**
文件描述符很重要，将在下篇文章 《重定向本质》 中讲解

**参数1：

pathname

待操作文件名，和 

fopen

一样**
**参数2：

flags

打开选项，

open

使用的标记位的方式传递选项信号，用一个 

int

至多可以表示 

32

个选项**
**参数3：

mode

权限设置，文件起始权限为 

0666

**

主要就是参数2有点复杂，使用了 位图 的方式进行多参数传递

位图理解
可以利用这个特性，写一个关于位图的小demo

3.1.2、位图demo

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#define ONE 0x1#define TWO 0x2#define THREE 0x4voidTest(int flags){//模拟实现三种选项传递if(flags & ONE)printf("This is one\n");if(flags & TWO)printf("This is two\n");if(flags & THREE)printf("This is three\n");}intmain(){Test(ONE | TWO | THREE);printf("-----------------------------------\n");Test(ONE);//位图使得选项传递更加灵活return0;}

结果
函数 

open

中的参数2正是位图，其参数有很多个，这里列举部分

 O_RDONLY    //只读
 O_WRONLY    //只写
 O_APPEND    //追加
 O_CREAT    //新建
 O_TRUNC    //清空

实际使用时，可以按照位图demo中的方式进行参数传递

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<string.h>#include<unistd.h>//write 的头文件#define LOG "log.txt" //日志文件#define SIZE 32intmain(){//三种参数组合，就构成了 fopen 中的 wint fd =open(LOG, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//权限最好设置if(fd ==-1){perror("open file fail1");exit(-1);}constchar* ps ="Hello System Call!\n";int cnt =5;while(cnt--)write(fd, ps,strlen(ps));//不能将 '\0' 写入文件中close(fd);return0;}

结果

注意：

  • 假若文件不存在，open 中的参数3最好进行设置，否则创建出来的文件权限为随机值
  • 继承环境变量表后，umask 默认为 0002，当然也可以自定义
  • 通过系统级函数 write 写入字符串时，不要刻意加上 '\0'，因为对于系统来说，这也只是一个普通的字符（'\0' 作为字符串结尾只是 C语言 的规定）

**

C语言

中的 

fopen

调用 

open

函数，其中的选项对应关系如下**

  • w -> O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC
  • a -> O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND
  • r -> O_RDONLY
  • ……

所以只要我们想，使用 

open

时，也能做到 **只读方式 打开 不存在的文件，也不会报错，加个 

O_CREAT

参数即可**

3.2、关闭 close

**

close

函数根据文件描述符关闭文件**

#include<unistd.h>intclose(int fildes);

Linux 下一切皆文件

包括这三个标准流： **

stdin

、

stdout

、

stderr

**
它们的文件描述符依次为：**

0

、

1

、

2

，也可以通过 

close(1)

的方式，关闭标准流**

3.3、写入 write

**

write

函数的返回值类型有点特殊，但使用方法与 

fwrite

基本一致**

#include<unistd.h>

ssize_t write(int fildes,constvoid*buf, size_t nbyte);

向文件中写入字符串，前面已经演示过了~

3.4、读取 read

**

read

读取很淳朴，只支持指定字符数读取**

#include<unistd.h>

ssize_t read(int fildes,void*buf, size_t nbyte);

文件读取时，同样是借助缓冲区进行读取

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<string.h>#include<unistd.h>//write 的头文件#define LOG "log.txt" //日志文件#define SIZE 1024intmain(){int fd =open("test.c", O_RDONLY);if(fd ==-1){perror("open file fail1");exit(-1);}int n =50;//读取50个字符char buffer[SIZE];int pos =0;while(n--){read(fd,(char*)buffer + pos,1);
    pos++;}printf("%s\n", buffer);close(fd);return0;}

读取 

test.c

源文件中的 

100

个字符

结果
这些系统级函数成功使用的前提是文件描述符合法

4、小结

最后再来简单小结一下文件的本质（结合系统级函数）

4.1、高级语言文件操作的本质

**只要是在 

Linux

平台中编写的程序，无论是 

Java

、

Python

、

PHP

还是其他语言，在进行文件相关操作时，其文件操作函数都有对系统级函数进行封装，也就是说，要想与硬件（磁盘）打交道，必须经过 系统调用 -> OS -> 驱动 这条路线，无法直接与硬件进行交互**

体系结构

🌆总结

以上就是基础IO【文件理解与操作】的全部内容了，本文主要是学习系统级文件操作函数，关于文件操作底层实现及重定向原理，将会在下篇文章讲解

如果你觉得本文写的还不错的话，期待留下一个小小的赞👍，你的支持是我分享的最大动力！

如果本文有不足或错误的地方，随时欢迎指出，我会在第一时间改正

星辰大海

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标签： linux 服务器 运维
本文转载自: https://blog.csdn.net/weixin_61437787/article/details/129752313
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