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Linux_基础IO详解

news 2025/7/23 10:22:10

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1. 理解“文件”

  • 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

在C语言中，我们知道键盘，显示器，磁盘都是文件，在Linux中也是如此，键盘、显示器、网卡、磁盘·…..这些都是抽象化的过程

1.1 文件操作的认识

  • 当我们创建文件时，对于OKB的空文件是占用磁盘空间的，磁盘会保存文件的属性（创建时间，创建路径......）
  • 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

2. 回顾C语言文件接口

2.1 打开文件 

#include <stdio.h>
int main()
{FILE *fp = fopen("myfile", "w");if (!fp){printf("fopen error!\n");}while(1);//这里我们等待，查看进程fclose(fp);return 0;
}

cwd：指向当前进程运行目录的一个符号链接。

exe：指向启动当前进程的可执行文件（完整路径）的符号链接。

2.2 写入文件

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{FILE *fp = fopen("myfile", "w");if (!fp){printf("fopen error!\n");}const char *msg = "hello IO!\n";int count = 5;while (count--){fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp);}fclose(fp);return 0;
}

2.3 读取文件

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{FILE *fp = fopen("myfile", "r");if (!fp){printf("fopen error!\n");return 1;}char buf[1024];const char *msg = "hello bit!\n";while (1){// 注意返回值和参数，此处有坑，仔细查看man⼿册关于该函数的说明size_t s = fread(buf, 1, strlen(msg), fp);if (s > 0){buf[s] = 0;printf("%s", buf);}if (feof(fp)){break;}}fclose(fp);return 0;
}

我们也能通过读取文件实现cat指令

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2)//cat+文件{printf("argv error!\n");return 1;}FILE *fp = fopen(argv[1], "r");if (!fp){printf("fopen error!\n");return 2;}char buf[1024];while (1){int s = fread(buf, 1, sizeof(buf), fp);if (s > 0){buf[s] = 0;printf("%s", buf);}if (feof(fp)){break;}}fclose(fp);return 0;
}

2.4 输出到显示器

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;
}

2.5 stdin & stdout & stderr

  • 在C语言中，会默认打开三个输出流，stdin & stdout & stderr
  • 仔细观察发现，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;

标准输入stdin：0001

标准输出stdout：0010

标准错误stderr：0100

#include <stdio.h>
#define ONE 0001   // 0000 0001
#define TWO 0002   // 0000 0010
#define THREE 0004 // 0000 0100
void func(int flags)
{if (flags & ONE)printf("flags has ONE! ");if (flags & TWO)printf("flags has TWO! ");if (flags & THREE)printf("flags has THREE! ");printf("\n");
}
int main()
{func(ONE);func(THREE);func(ONE | TWO);func(ONE | THREE | TWO);return 0;
}

3. 系统调用-open接口

 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

3.1 open写入 

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{umask(0);//权限一般0002int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);if (fd < 0){perror("open");return 1;}int count = 5;const char *msg = "hello bit!\n";int len = strlen(msg);while (count--){write(fd, msg, len); // fd: 后⾯讲， msg：缓冲区⾸地址， len: 本次读取，期望写⼊多少个字节的数据。 返回值：实际写了多少字节数据}close(fd);return 0;
}

3.2 open读取

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{int fd = open("myfile", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");return 1;}const char *msg = "hello IO!\n";char buf[1024];while (1){ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg)); // 类⽐writeif (s > 0){printf("%s", buf);}else{break;}}close(fd);return 0;
}

3.3 文件描述符fd

3.3.1 0&1&2

  1. Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2.
  2. 0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器

所以输入输出还可以采用如下方式：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{//close(0);//当我们没有关闭标识符0，返回3。//当我们关闭标识符0，返回0，//说明标识符的打开是跟随从小到大，最小的优先占据的规则int fd = open("myfile", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);close(fd);return 0;
}

描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{//close(1);//当我们关闭标准输出，此时不会打印到屏幕上，而是由文件占据1这个文件标识符int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 00644);if (fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);//会向1文件标识符打印，此时就会向myfile文本打印fflush(stdout);close(fd);exit(0);
}

此时，我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件myfile当中，其中，fd=1。这
种现象叫做输出重定向。常见的重定向有：>，>>，<

 //当我们关闭标准输出，此时不会打印到屏幕上，而是由文件占据1这个文件标识符

//会向1文件标识符打印，此时就会向myfile文本打印

3.4 使用dup2系统调用

#include <unistd.h>int dup2(int oldfd, int newfd);
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{//int fd = open("./log", O_RDWR | O_APPEND);//追加重定向int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR);//输出重定向if (fd < 0){perror("open");return 1;}close(1);dup2(fd, 1);//此时1标识符关闭，fd的地址交给1，所以printf会向文本输出for (;;){char buf[1024] = {0};ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);if (read_size < 0){perror("read");break;}printf("%s", buf);fflush(stdout);}return 0;
}

4. 一切皆文件

在Linux中，一切皆文件（先描述，后组织），比如进程、磁盘、显示器、键盘这样硬件设备也被抽象成了文件，你可以使用访问文件的方法访问它们获得信息；甚至管道，也是文件；

这样的好处很直接，，Linux中几乎所有读（读文件，读系统状态，读PIPE）的操作都可以用
read函数来进行；几乎所有更改（更改文件，更改系统参数，写PIPE）的操作都可以用write函
数来进行。

struct file
{... struct inode *f_inode; /* cached value */const struct file_operations *f_op;... atomic_long_t f_count;                      // 表⽰打开⽂件的引⽤计数，如果有多个⽂件指针指向它，就会增加f_count的值。 unsigned int f_flags; // 表⽰打开⽂件的权限fmode_t f_mode;                                 // 设置对⽂件的访问模式,例如：只读，只写等。所有的标志在头⽂件<fcntl.h> 中定义loff_t f_pos; // 表⽰当前读写⽂件的位置...} __attribute__((aligned(4))); /* lest something weird decides that 2 is OK */
struct file_operations
{struct module *owner;// 指向拥有该模块的指针；loff_t (*llseek)(struct file *, loff_t, int);// llseek ⽅法⽤作改变⽂件中的当前读/写位置, 并且新位置作为(正的)返回值.ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);// ⽤来从设备中获取数据. 在这个位置的⼀个空指针导致 read 系统调⽤以 -EINVAL("Invalid argument")失败.⼀个⾮负返回值代表了成功读取的字节数(返回值是⼀个"signed size" 类型,常常是⽬标平台本地的整数类型).ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);// 发送数据给设备. 如果 NULL, -EINVAL 返回给调⽤ write 系统调⽤的程序. 如果⾮负, 返回值代表成功写的字节数.ssize_t (*aio_read)(struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long,loff_t);// 初始化⼀个异步读 -- 可能在函数返回前不结束的读操作.ssize_t (*aio_write)(struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long,loff_t);// 初始化设备上的⼀个异步写.int (*readdir)(struct file *, void *, filldir_t);// 对于设备⽂件这个成员应当为 NULL; 它⽤来读取⽬录, 并且仅对**⽂件系统**有⽤.unsigned int (*poll)(struct file *, struct poll_table_struct *);int (*ioctl)(struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);long (*unlocked_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long);long (*compat_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap)(struct file *, struct vm_area_struct *);// mmap ⽤来请求将设备内存映射到进程的地址空间. 如果这个⽅法是 NULL, mmap 系统调⽤返回 - ENODEV.int (*open)(struct inode *, struct file *);// 打开⼀个⽂件int (*flush)(struct file *, fl_owner_t id);// flush 操作在进程关闭它的设备⽂件描述符的拷⻉时调⽤;int (*release)(struct inode *, struct file *);// 在⽂件结构被释放时引⽤这个操作. 如同 open, release 可以为 NULL.int (*fsync)(struct file *, struct dentry *, int datasync);// ⽤⼾调⽤来刷新任何挂着的数据.int (*aio_fsync)(struct kiocb *, int datasync);int (*fasync)(int, struct file *, int);int (*lock)(struct file *, int, struct file_lock *);// lock ⽅法⽤来实现⽂件加锁; 加锁对常规⽂件是必不可少的特性, 但是设备驱动⼏乎从不实现它.ssize_t (*sendpage)(struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *,int);unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);int (*check_flags)(int);int (*flock)(struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *,size_t, unsigned int);ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *,size_t, unsigned int);int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
};

5.文件缓冲区

缓冲区是内存空间的一部分。也就是说，在内存空间中预留了一定的存储空间，这些存储空间用来缓冲输入或输出的数据，这部分预留的空间就叫做缓冲区。缓冲区根据其对应的是输入设备还是输出设备，分为输入缓冲区和输出缓冲区。

读写文件时，如果不会开辟对文件操作的缓冲区，直接通过系统调用对磁盘进行操作(读、写等)，那么每次对文件进行一次读写操作时，都需要使用读写系统调用来处理此操作，即需要执行一次系统调用，执行一次系统调用将涉及到CPU状态的切换，即从用户空间切换到内核空间，实现进程上下文的切换，这将损耗一定的CPU时间，频繁的磁盘访问对程序的执行效率造成很大的影响。

我们从磁盘里取信息，可以在磁盘文件进行操作时，可以一次从文件中读出大量的数据到缓冲区中，以后对这部分的访问就不需要再使用系统调用了，等缓冲区的数据取完后再去磁盘中读取，这样就可以减少磁盘的读写次数，再加上计算机对缓冲区的操作大大快于对磁盘的操作，故应用缓冲区可大大提高计算机的运行速度。

5.1 缓冲方式

  • 全缓冲区：这种缓冲方式要求填满整个缓冲区后才进行I/0系统调用操作。对于磁盘文件的操作通常使用全缓冲的方式访问。
  • 行缓冲区：在行缓冲情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库函数将会执行系统调用操作。当所操作的流涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），使用行缓冲方式。因为标准1/O库每行的缓冲区长度是固定的，所以只要填满了缓冲区，即使还没有遇到换行符，也会执行1/0系统调用操作，默认行缓冲区的大小为1024。
  • 无缓冲区：无缓冲区是指标准l/O库不对字符进行缓存，直接调用系统调用。标准出错流stderr通常是不带缓冲区的，这使得出错信息能够尽快地显示出来。

特殊缓冲触发

  • 缓冲区满时；
  • 执行flush语句；
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{close(1);int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 0;}printf("hello world: %d\n", fd);close(fd);return 0;
}

由于缓冲区的原因，并没有数据打印到文本中

此时就使用fflush刷新

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{close(1);int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 0;}printf("hello world: %d\n", fd);fflush(stdout) ;close(fd);return 0;
}

另一种方式：利用stderr不带缓冲区

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{close(2);int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 0;}perror("hello world");close(fd);return 0;
}
http://www.lryc.cn/news/596319.html

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