Linux文件IO

一.C语言文件操作

fopen

fopen用于打开文件，包含在头文件<stdio.h>中，函数原型如下：

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

pathname：打开文件路径，可以是绝对路径或相对路径
mode：打开文件的模式
打开文件的最常用模式为：

"r"：只读，若文件不存在则报错
"w"：只写，若文件不存在则创建，打开时清空文件原有内容
"a"：只写，若文件不存在则创建，打开时从文件末尾追加

该函数会返回一个FILE*的指针，C语言中，通过操作这个FILE*来控制文件的IO。当我们打开文件时，每个被使⽤的⽂件都在内存中开辟了⼀个相应的⽂件信息区，⽤来存放⽂件的相关信息。

这些信息是保存在⼀个结构体变量中的。该结构体类型是由系统声明的，取名FILE。我们可以通过操纵这个FILE类型的结构体，来操控文件。大部分情况下，我们可以得到一个指向该结构体的指针FILE*，即文件指针，后续通过文件指针来操控文件。

示例，我们有一个test1.c文件，文件里面以"w"的方式打开一个文件，我们将其运行。

我们发现在当前目录下多了一个file111111111111111111111.txt文件。fopen打开的文件如果不存在则会在当前路径下创建一个该文件，那么同理如果更改了当前路径的工作目录，就可以把文件建立到新的路径里。

chdir

chdir用于改变进程工作路径，包含在头文件<unistd.h>中，函数原型如下：

int chdir(const char* path);

我们在test1.c文件中使用该函数，将其放在 /home/lbk 目录下。

fwrite

fwrite用于将一段字符串写入文件，包含在头文件<stdio.h>中，函数原型如下：

size_t fwrite(const void* ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE* stream);

ptr: 字符串，size：字符串的长度，nmemb：字符串一个字符的大小，单位为字节，stream：要写入的文件

示例

二.系统调用接口

C语⾔程序在启动的时候，默认打开了3个流：

stdin - 标准输⼊流，在⼤多数的环境中从键盘输⼊。
stdout - 标准输出流，⼤多数的环境中输出⾄显⽰器界⾯。
stderr - 标准错误流，⼤多数环境中输出到显⽰器界⾯。

这三个流也是通过文件指针来操作的。

众所周知文件是被存在磁盘里的，而用户想要操作硬件就必须经过操作系统，操作系统就必须提供对应的接口来供用户使用，那么可以得出c语言的标准文件例如printf之类也必定封装了系统调用接口，下面来介绍一些系统调用接口。

open接口

open用于打开文件，需要头文件<sys/types.h>、<sys/stat.h>、<fcntl.h>，函数原型如下：

1. int open(const char *pathname, int flags);
2. int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

• pathname：打开文件的路径
• flags：打开文件的模式

这个模式和fopen的相似，比如控制读、写、追加等，以下选项：

mode：用于控制文件的初始权限，最终权限还要经过umask过滤

open会返回一个int类型的值，这个值就是文件描述符fd，后续通过fd操控对应文件。

第一个接口一般用来打开已经存在的文件，第二个一般用来创建新文件。

示例，在test2.c文件中

close接口

close用于关闭文件，需要头文件<unistd.h>，函数原型如下：

int close(int fd);

直接传入对应文件的文件描述符fd即可。

write接口

write用于向文件写入，需要头文件<unistd.h>，函数原型如下：

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

fd：被写入文件的fd，buf：指向被写入的字符串，count：写入字符的个数。

示例，在test2.c文件中使用write

然后我们再修改buf，改为bbbb，然后再次运行该程序并查看log.txt文件中的内容。

我们发现以O_WRONLY模式对文件进行写入时，不会先把文件内容清空，而是直接从头开始覆盖。

故而我们可以有两种组合：

• O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC：以只读形式打开，如果文件不存在就创建，打开时清空文件所有内容
• O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND：以只读形式打开，如果文件不存在就创建，打开时从文件的结尾开始追加

O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC模式打开，就是fopen的以"w"形式打开；O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND就是fopen的以"a"形式打开。由于fopen是用户操作接口，而open是系统调用接口，其实fopen就是对open的封装。

read接口

read用于读取文件，需要头文件<unistd.h>，函数原型如下：

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

• fd：目标文件的文件描述符fd
• buf：将文件内容读取到buf指向的空间中
• count：最多读取count个字节的内容

• 返回值：

• < 0：读取发送错误
  = 0：读取到文件末尾
  > 0：读取成功，返回读取到的字符个数

  示例，在test3.c文件中

  

• 

• file.txt的内容为字符串hello Linux\n，一开始通过open以只读形式打开文件后，先通过read(fd, buf, 50)把内容存储到数组buf中，并把返回值交给ret1。随后输出ret1和buf。读取完file.txt后，再读取了一次read(fd, buf, 50)，这次读取的结果交给ret2，并输出ret2,第一次read返回值为12，也就是字符串hello Linux\n中有12个字符，随后buf中也正常输出了hello Linux\n。而第二次read，由于上一次读取时已经遇到文件末尾了，所以本次读取返回0。

内存文件管理

1.文件=属性+内容。
2.文件分为打开文件和未打开文件。
3.打开的文件：进程打开。
4.未打开的文件：在磁盘里存放着。
5.文件打开，必须先被加载到内存。
6.一个进程可以打开多个文件，那么操作系统就必须先描述再组织的对文件进行管理。

struct file

想要打开一个文件，文件是要从磁盘中提取的，要访问硬件设备，而访问硬件设备是操作系统才有的权力，因此访问文件毫无疑问是要经过操作系统的。在操作系统中，会使用一个叫做file的结构体来描述一个被打开的文件，并把这个文件的数据从磁盘加载到内存中。struct file 是一个非常重要的数据结构，它表示一个打开的文件，并且提供了访问和操作文件的接口。

loff_t f_pos: 这个成员保存了文件当前的读写位置。许多文件操作函数都会根据这个位置来读写数据。

unsigned int f_flags: 这个成员保存了打开文件时设置的标志,如 O_RDONLY, O_WRONLY, O_APPEND 等。这些标志决定了对文件的访问权限和行为。

struct fown_struct f_owner: 这个成员保存了文件所有者的信息,包括进程 ID 和用户 ID。它用于实现文件的所有权和权限检查。

struct file_operations *f_op: 这个成员指向一个 struct file_operations 类型的结构体,它定义了各种文件操作函数,如 read(), write(), open(), release() 等。这些函数由文件系统或驱动程序实现,用于处理对文件的各种操作。在Linux中，一切皆文件，不论是显示器，键盘，磁盘，内存，一切软硬件都是通过文件来控制的，因此每个文件的写入与读取方式很有可能不同，但是我们又要用read，write这样的接口来对文件统一的读写。于是在struct file中，用一个f_op成员指向一个结构体struct file_operations，在对应结构体内部，存放着指向各种函数指针。

struct files_struct

刚刚的结构体struct file是用于描述具体的被打开的文件的，而操作系统想要对所有被打开的文件进行统一的管理，就需要再把所有的struct file组织起来，这个组织struct file的结构体，就是struct files_struct 。

fd_array就是灰色的数组，每个数组的元素都是一个指向struct file的指针，struct file对应一个打开的文件。操作系统有一个全局的struct files_struct，用于统一管理所有进程打开的文件。每个进程也要打开多个文件，那么每个进程又要如何管理自己打开的文件呢？每个进程也要通过struct files_struct来管理多个struct file.

在进程PCB即task_struct中，有这样一个成员：

/* open file information */
	struct files_struct *files;

也就是说，每个进程也要维护一个struct files_struct，来控制自己打开的文件。

左侧是被操作系统全局管理的struct files_struct，整个系统中所有被打开的文件都要被这个结构体管理。而右侧是每个进程自己打开维护的struct files_struct，分别管理自己打开的文件。当多个进程打开同一个文件，那么它们的fd_array里面的元素，会指向同一个struct file。

文件描述符 fd

文件描述符fd，就是fd_array的数组下标,现在我们创建一大批文件，然后看看它们的fd的值。

执行./test4后，确实多出了五个文件，但是其fd是3 4 5 6 7这样从3开始依次排列的，为什么要这样干？数组下标从0开始，那么编号0 1 2的fd去哪里了？

还记得在C语言中，会为我们默认打开三个流stdin,stdout,stderr吗？这三个流也是向文件输入输出，默认打开三个流stdin,stdout,stderr的时候，0 1 2为编号的fd就已经被占用了！C语言中，文件流是以FILE的形式被管理的，毫无疑问FILE是对Linux文件系统的封装，FILE内部一定存储了fd，否则无法通过fd来访问特定的文件。其中FILE的_fileno成员，就是fd。