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大致自定义文件I/O库函数的实现详解（了解即可）

news 2025/7/25 20:15:50

目录

一、mystdio.h

代码思路分析

二、mystdio.c

1. 辅助函数 BuyFile

2. 文件打开函数 MyFopen

3. 文件关闭函数 MyFclose

4. 数据写入函数 MyFwrite

1、memcpy(file->outbuffer + file->bufferlen, str, len);

2、按位与（&）运算的作用

运算规则

5. 缓冲区刷新函数 MyFFlush

1、缓冲区空检查

2、数据写入系统调用

3、数据同步到磁盘

4、重置缓冲区

三、Makefile

四、Makefile-st

一、mystdio.h

#pragma once
// 这是一个预处理指令，确保头文件在编译时只被包含一次，防止重复包含#include <stdio.h>
// 包含标准输入输出库，提供基本的文件操作函数原型#define MAX 1024
// 定义输出缓冲区的大小为1024字节// 定义刷新模式的标志位
#define NONE_FLUSH (1<<0)   // 不自动刷新
#define LINE_FLUSH (1<<1)   // 行缓冲模式（遇到换行符时刷新）
#define FULL_FLUSH (1<<2)   // 全缓冲模式（缓冲区满时刷新）// 自定义文件结构体，模拟标准库的FILE结构
typedef struct IO_FILE
{int fileno;             // 文件描述符（底层操作系统文件标识）int flag;               // 文件打开模式标志char outbuffer[MAX];    // 输出缓冲区int bufferlen;          // 当前缓冲区中的数据长度int flush_method;       // 缓冲刷新策略（NONE/LINE/FULL）
}MyFile;// 函数声明/*** @brief 打开文件并初始化MyFile结构体* @param path 文件路径* @param mode 打开模式（"r"/"w"/"a"等）* @return 成功返回MyFile指针，失败返回NULL*/
MyFile *MyFopen(const char *path, const char *mode);/*** @brief 关闭文件并释放资源* @param fp MyFile指针*/
void MyFclose(MyFile *fp);/*** @brief 向文件写入数据* @param fp MyFile指针* @param str 要写入的数据指针* @param len 要写入的数据长度* @return 成功写入的字节数*/
int MyFwrite(MyFile *fp, void *str, int len);/*** @brief 手动刷新缓冲区* @param fp MyFile指针*/
void MyFFlush(MyFile *fp);

代码思路分析

这段代码实现了一个简单的文件I/O封装库，模拟了标准C库中的文件操作函数。主要特点包括：

  1. 缓冲机制：

    • 使用outbuffer作为输出缓冲区，减少直接系统调用的次数

    • 支持三种缓冲策略：无缓冲、行缓冲和全缓冲

  2. 结构设计：

    • MyFile结构体封装了文件描述符、缓冲区及状态信息

    • 类似于标准库的FILE结构，但更简化

  3. 功能模拟：

    • MyFopen：模拟fopen，打开文件并初始化结构体

    • MyFwrite：模拟fwrite，写入数据到缓冲区

    • MyFFlush：模拟fflush，强制刷新缓冲区

    • MyFclose：模拟fclose，关闭文件并释放资源

  4. 缓冲策略：

    • NONE_FLUSH：每次写入都立即刷新（无缓冲）

    • LINE_FLUSH：遇到换行符时刷新（行缓冲）

    • FULL_FLUSH：缓冲区满时刷新（全缓冲）

二、mystdio.c

#include "mystdio.h"
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>static MyFile *BuyFile(int fd, int flag)
{MyFile *f = (MyFile*)malloc(sizeof(MyFile));if(f == NULL) return NULL;f->bufferlen = 0;f->fileno = fd;f->flag = flag;f->flush_method = LINE_FLUSH;memset(f->outbuffer, 0, sizeof(f->outbuffer));return f;
}MyFile *MyFopen(const char *path, const char *mode)
{int fd = -1;int flag = 0;if(strcmp(mode, "w") == 0){flag = O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC;fd = open(path, flag, 0666);}else if(strcmp(mode, "a") == 0){flag = O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND;fd = open(path, flag, 0666);}else if(strcmp(mode, "r") == 0){flag = O_RDWR;fd = open(path, flag);}else{//TODO}if(fd < 0) return NULL;return BuyFile(fd, flag);
}
void MyFclose(MyFile *file)
{if(file->fileno < 0) return;MyFFlush(file);close(file->fileno);free(file);
}
int MyFwrite(MyFile *file, void *str, int len)
{// 1. 拷贝memcpy(file->outbuffer+file->bufferlen, str, len);file->bufferlen += len;// 2. 尝试判断是否满足刷新条件！if((file->flush_method & LINE_FLUSH) && file->outbuffer[file->bufferlen-1] == '\n'){MyFFlush(file);}return 0;
}
void MyFFlush(MyFile *file)
{if(file->bufferlen <= 0) return;// 把数据从用户拷贝到内核文件缓冲区中int n = write(file->fileno, file->outbuffer, file->bufferlen);(void)n;fsync(file->fileno);file->bufferlen = 0;}

1. 辅助函数 BuyFile

BuyFile 函数在这个自定义 I/O 库中模拟的是标准 C 库（如 glibc）中 FILE 结构体的初始化过程。

/*** @brief 分配并初始化MyFile结构体* @param fd 文件描述符* @param flag 文件打开标志* @return 成功返回MyFile指针，失败返回NULL*/
static MyFile *BuyFile(int fd, int flag)
{// 分配MyFile结构体内存MyFile *f = (MyFile*)malloc(sizeof(MyFile));if(f == NULL) return NULL;// 初始化结构体成员f->bufferlen = 0;           // 缓冲区初始为空f->fileno = fd;             // 设置文件描述符f->flag = flag;             // 设置文件打开标志f->flush_method = LINE_FLUSH; // 默认使用行缓冲模式memset(f->outbuffer, 0, sizeof(f->outbuffer)); // 清空缓冲区return f;
}

功能分析：

  • 这是一个静态辅助函数，用于创建和初始化MyFile结构体

  • 设置默认缓冲策略为LINE_FLUSH（行缓冲）

  • 清空输出缓冲区，确保初始状态干净

2. 文件打开函数 MyFopen

/*** @brief 打开文件并初始化MyFile对象* @param path 文件路径* @param mode 打开模式("w"/"a"/"r")* @return 成功返回MyFile指针，失败返回NULL*/
MyFile *MyFopen(const char *path, const char *mode)
{int fd = -1;int flag = 0;// 根据模式设置打开标志if(strcmp(mode, "w") == 0)       // 写模式{flag = O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC; // 创建文件/只写/清空内容fd = open(path, flag, 0666);  // 设置文件权限为rw-rw-rw-}else if(strcmp(mode, "a") == 0)  // 追加模式{flag = O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND; // 创建文件/只写/追加fd = open(path, flag, 0666);}else if(strcmp(mode, "r") == 0)  // 读模式{flag = O_RDWR;               // 读写模式fd = open(path, flag);}else{//TODO: 可以添加其他模式支持}// 检查文件是否成功打开if(fd < 0) return NULL;// 创建并初始化MyFile对象return BuyFile(fd, flag);
}

功能分析：

  • 支持三种基本文件模式：写("w")、追加("a")和读("r")

  • 使用系统调用open打开文件，获取文件描述符

  • 根据模式设置不同的打开标志：

    • "w"模式会清空文件内容

    • "a"模式会在文件末尾追加

    • "r"模式允许读写

  • 最终调用BuyFile创建并初始化MyFile对象

3. 文件关闭函数 MyFclose

/*** @brief 关闭文件并释放资源* @param file MyFile对象指针*/
void MyFclose(MyFile *file)
{if(file->fileno < 0) return;  // 检查文件描述符是否有效MyFFlush(file);      // 确保缓冲区数据写入文件close(file->fileno); // 关闭文件描述符free(file);          // 释放MyFile结构体内存
}

功能分析：

  • 首先刷新缓冲区，确保所有数据写入文件

  • 关闭底层文件描述符

  • 释放MyFile结构体内存

  • 包含安全检查，防止无效文件描述符

4. 数据写入函数 MyFwrite

/*** @brief 向文件写入数据* @param file MyFile对象指针* @param str 要写入的数据指针* @param len 要写入的数据长度* @return 总是返回0(实际实现可能需要改进)*/
int MyFwrite(MyFile *file, void *str, int len)
{// 1. 将数据拷贝到缓冲区memcpy(file->outbuffer + file->bufferlen, str, len);file->bufferlen += len;  // 更新缓冲区长度// 2. 检查是否满足刷新条件if((file->flush_method & LINE_FLUSH) &&      // 如果是行缓冲模式file->outbuffer[file->bufferlen-1] == '\n') // 且最后一个字符是换行符{MyFFlush(file);  // 刷新缓冲区}return 0;  // 注意：实际应该返回写入的字节数，这里需要改进
}

功能分析：

1、memcpy(file->outbuffer + file->bufferlen, str, len);

memcpy(file->outbuffer + file->bufferlen, str, len);

  • file->outbuffer：指向文件输出缓冲区的起始地址。

  • file->bufferlen：当前缓冲区中已存储的数据长度（单位：字节）。

  • file->outbuffer + file->bufferlen：计算缓冲区中下一个空闲位置的地址（即已存数据的末尾）。

  • str：要写入的数据源地址（用户传入的字符串或二进制数据）。

  • len：要拷贝的数据长度（单位：字节）。

  • memcpy：标准内存拷贝函数，将 str 的 len 字节数据复制到目标地址。

2、按位与（&）运算的作用

  • LINE_FLUSH 的定义（在头文件中）：

    #define LINE_FLUSH (1 << 1)  // 即二进制 0b10（十进制 2）

  • file->flush_method 是一个整型变量，存储当前的缓冲模式（可能是 NONE_FLUSH、LINE_FLUSH 或 FULL_FLUSH 的组合）。

运算规则

  • 按位与 & 会对两个数的 二进制位 逐位比较：

    • 如果某一位在两个数中都是 1，结果的该位才是 1，否则是 0。

  • 判断逻辑：

    • 如果 file->flush_method 包含 LINE_FLUSH，则 file->flush_method & LINE_FLUSH 结果非零（true）。

    • 如果不包含，则结果为 0（false）。

  • 将数据直接拷贝到输出缓冲区

  • 实现了行缓冲逻辑：当检测到换行符时自动刷新

  • 当前实现总是返回0，实际应该返回写入的字节数

  • 缺少缓冲区满时的处理逻辑（全缓冲模式）

5. 缓冲区刷新函数 MyFFlush

/*** @brief 刷新缓冲区，将数据写入文件* @param file MyFile对象指针*/
void MyFFlush(MyFile *file)
{if(file->bufferlen <= 0) return;  // 缓冲区为空则直接返回// 将数据从用户缓冲区写入内核缓冲区int n = write(file->fileno, file->outbuffer, file->bufferlen);(void)n;  // 忽略返回值(实际实现应该检查)fsync(file->fileno);  // 确保数据写入磁盘file->bufferlen = 0;  // 重置缓冲区长度
}

功能分析：

  • 将缓冲区内容写入底层文件描述符

  • 使用fsync确保数据持久化到磁盘

  • 重置缓冲区长度为0

  • 当前实现忽略了write的返回值，实际应该处理写入错误情况

1、缓冲区空检查

if(file->bufferlen <= 0) return;

  • 作用：如果缓冲区中没有数据，直接返回

  • 优化意义：避免不必要的系统调用

  • 潜在问题：没有检查 file 是否为 NULL（健壮性考虑）

2、数据写入系统调用

int n = write(file->fileno, file->outbuffer, file->bufferlen);
(void)n;  // 忽略返回值

  • write 系统调用：

    • 参数1：文件描述符

    • 参数2：要写入的数据缓冲区

    • 参数3：要写入的字节数

    • 返回值：实际写入的字节数（可能小于请求的字节数）

  • 问题：

    • 完全忽略了 write 的返回值，可能导致部分写入未被处理

    • 没有错误处理（如 write 返回 -1 表示出错）

3、数据同步到磁盘

fsync(file->fileno);

  • fsync 系统调用：

    • 强制将内核缓冲区中的数据写入物理磁盘

    • 确保数据持久化，不会因系统崩溃而丢失

  • 性能影响：

    • 这是一个昂贵的操作，会显著降低 I/O 性能

    • 通常只在需要强一致性保证时使用

4、重置缓冲区

file->bufferlen = 0;

  • 作用：将缓冲区长度重置为0，表示缓冲区已空

  • 实现方式：

    • 只是简单地重置长度计数器

    • 没有清空缓冲区内容（可能的安全问题）

三、Makefile

# 生成动态链接库 libmyc.so，依赖 mystdio.o 和 mystring.o 两个目标文件
# $@ 表示目标文件(libmyc.so)，$^ 表示所有依赖文件
libmyc.so: mystdio.o mystring.ogcc -shared -o $@ $^# 编译 mystdio.c 生成位置无关代码(PIC)的目标文件
# -fPIC 选项是生成动态库所必需的
# $< 表示第一个依赖文件(mystdio.c)
mystdio.o: mystdio.cgcc -fPIC -c $<# 编译 mystring.c 生成位置无关代码(PIC)的目标文件
mystring.o: mystring.cgcc -fPIC -c $<# 伪目标：打包输出库文件
.PHONY: output
output:# 创建发布目录结构mkdir -p lib/include    # 存放头文件的目录mkdir -p lib/mylib      # 存放动态库的目录# 拷贝所有头文件到include目录cp -f *.h lib/include# 拷贝动态库文件到mylib目录cp -f *.so lib/mylib# 将整个lib目录打包压缩tar czf lib.tgz lib# 伪目标：清理生成的文件
.PHONY: clean
clean:# 删除所有目标文件、动态库文件和生成的目录rm -rf *.o libmyc.so lib lib.tgz

四、Makefile-st

# 生成静态链接库 libmyc.a，依赖 mystdio.o 和 mystring.o 两个目标文件
# 注意：与动态库(.so)不同，静态库(.a)在编译时会被完整嵌入可执行文件
# $@ 表示目标文件(libmyc.a)，$^ 表示所有依赖文件
libmyc.a: mystdio.o mystring.o# 使用 ar 命令打包目标文件生成静态库# -r 替换现有文件 -c 创建新库ar -rc $@ $^# 编译 mystdio.c 生成目标文件
# 注意：静态库不需要 -fPIC 位置无关代码选项（与动态库不同）
# $< 表示第一个依赖文件(mystdio.c)
mystdio.o: mystdio.cgcc -c $<# 编译 mystring.c 生成目标文件
mystring.o: mystring.cgcc -c $<# 伪目标：打包发布静态库文件
.PHONY: output
output:# 创建标准的库发布目录结构mkdir -p lib/include    # 存放头文件(.h)的目录mkdir -p lib/mylib      # 存放静态库文件(.a)的目录# 拷贝所有头文件到include目录cp -f *.h lib/include# 拷贝静态库文件到mylib目录（注意这里是.a文件而非.so）cp -f *.a lib/mylib# 将整个lib目录打包压缩，便于分发tar czf lib.tgz lib# 伪目标：清理生成的文件
.PHONY: clean
clean:# 删除编译过程中生成的所有中间文件# 包括：目标文件(.o)、静态库文件(.a)、打包目录和压缩包rm -rf *.o libmyc.a lib lib.tgz

http://www.lryc.cn/news/597135.html

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