【Linux】基础IO [万字之作]

用户11173787

发布于 2024-06-24 11:28:27

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发布于 2024-06-24 11:28:27

文章被收录于专栏：破晓破晓

hello，my friend。今天我们要学习的是基础IO部分，主要涉及内存和外设之间的数据交互。接下来，就让我们共同探讨这部分内容吧，那我们就开始吧！

本文章重点：

复习C文件IO相关操作
认识文件相关系统调用接口
认识文件描述符,理解重定向
对比fd和FILE，理解系统调用和库函数的关系
理解文件系统中inode的概念
认识软硬链接，对比区别
认识动态静态库，学会结合gcc选项，制作动静态库

一.重谈文件

首先，我认为有必要明确一些共识：

空文件，也要在磁盘中占用空间（即使是空文件，也要有数据存储）。
文件=内容+属性。
对文件进行操作=对内容进行操作or对属性进行操作or对内容和数据同时进行操作。
在任何系统中，标定一个文件，必须使用：文件路径+文件名（唯一性）。
如果没有指明对应的文件路径，默认是在当前路径下进行文件访问。
当我们把fopen，fclose，fread，fwrite等接口写完后，代码完成编译，形成二进制可执行程序后，但是没有被运行，文件对应的操作有没有被执行——没有，对文件的操作，本质上是：进程对文件的操作。
一个文件如果没有被打开，可以直接对该文件进行访问吗？不能，一个文件要被访问，必须得先被打开。打开工作由用户+OS完成。
是不是所有在磁盘上的文件都被打开了？不是！文件大体分为：a.被打开的文件，b.没有被打开的文件（这部分组成我们的文件系统）。

总结：文件操作的本质：进程和被打开文件之间的关系。

二.重谈C文件操作

C语言有文件操作接口，C++有文件操作接口，jave有文件操作接口，python有文件操作接口。但这些接口差别很大。

文件在哪里——>文件在磁盘——>磁盘属于硬件，由操作系统进行管理——>所有人想访问磁盘都绕不开操作系统——>使用操作系统的接口——>提供文件级别的系统调用接口——>吧冉语言的文件操作接口都可以在Linux下运行——>底层接口是一样的，这是变换的接口中不变的东西。

1.操作

1.文件的打开和关闭

在使用文件之前应该打开文件，使用完之后应该关闭文件

ANSIC规定用fopen来打开文件，用fclose来关闭文件

FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );	//打开文件
int fclose ( FILE * stream );	//关闭文件

注1：当文件打开失败出错时，会返回一个空指针，因此我们一定要在打开文件之后，对文件指针进行有效性检查注2：对于打开进行更新的文件（包含“+”号的文件），允许输入和输出操作，在写入操作之后的读取操作之前，应刷新（fflush）或重新定位流（fseek，fsetpos，rewind）。流应在读取操作之后的写入操作之前重新定位（fseek、fsetpos、rewind）（只要该操作未到达文件末尾）

实例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	FILE* fp = fopen("hello.c", "w");
	if (fp == NULL)
	{
		perror("fopen fail");

	}
	//进行文件相关的读写操作。

	fclose(fp);
}

运行前：

运行后：

2.文件的读写操作

如下是C语言文件操作相关函数

我们知道:在C语言占位符中：%c表示字符，%s表示字符串。上面的以字符C结尾fgetc和fputc分别便是读取和输入一个字符。以字符Sfgets和fputs分别便是读取和输入字符串。

下面我挑重点讲解几个函数：

1.fgetc函数

int fgetc ( FILE * stream );

返回文件指针当前指向的字符，然后文件指针向后移动一位
如果文件指针位于文件末尾，那么就返回EOF，并为流设置（feof）的文件结束指示器
如果文件读取错误，同样返回EOF，但改为设置其错误指示器（ferror）

实例：从data.txt文件中读取一个字符。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    FILE* fp=fopen("data.txt","r");
    if (fp==nullptr)
    {
        perror("fopen fail");
        exit(1);
    }
    char ch=fgetc(fp);
    printf("%c",ch);
    fclose(fp);
    fp=nullptr;
    return 0;
}

2.fputc函数

int fputc ( int character, FILE * stream );

将一个字符写入文件，然后文件指针向后移动一位
如果写入成功，那么返回这个字符的ASCII值
如果发生错误，则返回EOF

实例：创建一个data.txt文件，并写入字符‘a’；

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    FILE* fp=fopen("data.txt","w");
    if (fp==nullptr)
    {
        perror("fopen fail");
        exit(1);
    }
    fputc('a',fp);
    fclose(fp);
    fp=nullptr;
    return 0;
}

运行结果：

3.fputs函数

int fputs ( const char * str, FILE * stream );

将str中的字符串输出到流（stream）中，结束符‘\0’不会被写入
如果输出成功，则返回非负值
如果失败，则返回EOF，并设置错误指示器（ferror）

实例：

将字符串“abcdefg”写入data.txt文件。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    FILE* fp=fopen("data.txt","w");
    if (fp==nullptr)
    {
        perror("fopen fail");
        exit(1);
    }
   
    fputs((char*)"abcdefg",fp);
    fclose(fp);
    fp=nullptr;
    return 0;
}

4.fgets函数

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

从流（stream）中读取字符，并以字符串的形式存储到str中，直到读够（num - 1）个字符，或到达换行符，或读到文件尾
换行符‘\n’会使fgets停止读取，但换行符会被函数认为是有效字符，并存入str中
结束符‘\0’会成为第num个字符，添加到str末尾
如果读取成功，则返回str
如果在读取的过程中遇到文件尾，那么就设置 eof 指示器（feof）
如果没有读到任何字符就遇到文件尾，那么就返回空指针，设置 eof 指示器（feof），str的内容不会改变
如果读取错误，则设置错误指示器（ferror），同样返回空指针，但str的内容可能会改变

实例：从data.txt中读取所有字符。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{
    FILE* fp=fopen("data.txt","r");
    if (fp==nullptr)
    {
        perror("fopen fail");
        exit(1);
    }
    char ret[10];
    memset(ret,0,10);//初始化空间为0;
    fgets(ret,6,fp);
    printf("%s",ret);
    fclose(fp);
    fp=nullptr;
    return 0;
}

5.fprintf函数

int fprintf ( FILE * stream, const char * format, ... );

以格式化的形式向流（stream）中输出数据
成功后，将返回写入的字符总数。
如果发生写入错误，则设置错误指示器（ferror）并返回负数。

例如：

将数字123和字符串“abcdef”写入文件

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{
    int num=123;
    char *arr="abcdef";
    FILE *fp=fopen("data.txt","w");
    if(fp==nullptr)
    {
        perror("fopen fail");

    }
    fprintf(fp,"%d:%s",num,arr);
    fclose(fp);
    fp=nullptr;
    return 0;
}

6.fscanf函数

int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... );

以格式化的形式从流（stream）中读取数据
成功后，该函数返回成功填充的参数列表的项数。此计数可以与预期的项目数匹配，也可以由于匹配失败、读取错误或文件末尾的到达而减少（甚至为零）。
如果发生读取错误或在读取时到达文件末尾，则会设置正确的指示器（feof 或 ferror）。并且，如果在成功读取任何数据之前发生任一情况，则返回 EOF。

实例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{
    FILE *fp=fopen("data.txt","r");
    if(fp==nullptr)
    {
        perror("fopen fail");

    }
    int num=0;
    char arr[10]={0};
    fscanf(fp,"%d:%s",&num,arr);
    printf("%d:%s\n",num,arr);
    fclose(fp);
    fp=nullptr;
    return 0;
}

7.fread函数

size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );

以二进制的形式从流中读取count个元素，每个元素的大小为size字节，并将它们存储在 ptr 指定的内存块中。

返回成功读取的元素总数。

如果此数字与 count 参数不同，则表示读取时发生读取错误或到达文件末尾。在这两种情况下，都会设置正确的指标，可以分别用 ferror 和 feof 进行检查。

如果size或count为零，则该函数返回零，并且流状态和 ptr 指向的内容保持不变。

例如：读取文件中的字符串“1200”

int main()
{
	FILE* fp = fopen("data.txt", "rb");
	if (NULL == fp)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	int str[10] = {0};

	int ret = fread(str, sizeof(int), 1, fp);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		printf("%d ", str[i]);

	printf("\nret = %d\n", ret);
    
    fclose(fp);
	fp = NULL;

	return;
}

8.fwrite函数

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

以二进制的形式将ptr存储的数据写入流中，一共写入count个元素，每个元素的大小为size字节。

返回成功写入的元素总数。

如果此数字与 count 参数不同，则写入错误阻止函数完成。在这种情况下，将为流设置错误指示器（ferror）。

如果size或count为零，则该函数返回零，错误指示器保持不变。

例如：

向文件中写入字符串“abcdef”

#include<stdio.h>

int main()
{
	FILE* fp = fopen("data.txt", "wb");
	if (NULL == fp)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	char str[] = "abcdef";

	int ret = fwrite(str, sizeof(char), strlen(str), fp);
	printf("%d\n", ret);

	fclose(fp);
	fp = NULL;

	return 0;
}

三.重谈当前路径

我们在用fopen以写的方式打开一个文件，如果文件不存在，系统会在当前路径下创建该文件，但为什么创建文件是在当前路径下创建呢？操作系统怎么找到当前路径的呢？

运行起该进程，然后查询到pid，在系统proc文件夹下查找。

其中,有两个非常显眼:

exe表示当前运行程序所处的路径。
cwd表示当前运行程序的工作目录。这个目录只属于当前运行的进程。这个工作目录我们可以使用系统中的 chdir进行修改。

来看实例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    chdir("/home/user/exercise");//修改该进程的工作目录。
    FILE* fp=fopen("log.txt","w");
    while(1)
    {
        printf("hello world\n");
        sleep(1);
    }
}

这样，我们就把进程的工作目录更改到了/home/user/exercise下。

运行一下：

我们可以看到：文件就在我们修改后的工作目录下创建好了。

四.系统文件操作接口

我们除了使用C语言函数或者其他语言函数对文件进行相关的操作，我们也可以调用系统文件操作接口来实现对文件的操作，且系统接口更加接近底层，语言层面的函数都是对系统接口的封装。

1.open函数

C语言的fopen函数底层就是依据open实现的，其为Linux的系统调用，函数原型为：

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

头文件：

  #include <sys/types.h>
  #include <sys/stat.h>
  #include <fcntl.h>

参数

pathname:要进行操作的文件所在路径和文件名，如果只有文件名，表示此文件在当前目录下；当文件不存在时，也要在当前目录下创建。
flags:表示要对文件的操作类型，常见的操作类型有：

mode:表示：文件不存在时，创建文件的默认权限。当文件存在，这个参数不需要传。

对flag的进一步理解：

flag的中文名称是旗帜（标记位）的意思。这里的采用比特位的数组进行标记，并用位运算符进行运算，得到对文件的操作类型。为了更好的理解，我们来看这段代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define ONE (1 << 0)
#define TOW (1 << 1)
#define THREE (1 << 2)
#define FOUR (1 << 3)

void show(int flag)
{
    if (flag & ONE)
        printf("ONE\n");
    if (flag & TOW)
        printf("TOW\n");
    if (flag & THREE)
        printf("THREE\n");
    if (flag & FOUR)
        printf("FOUR\n");
}
int main()
{
    show(ONE);
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE | TOW);
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE | TOW | THREE);
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE | THREE);
}

我们可以 使用或运算 来做出 不同的行为，同样，open接口的flags参数也是如此使用方式，例如，我们以 使用open模拟fopen函数的 ‘w’ 行为：

include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#define MY_ENY "log.txt"
int main()
{
    int n = open("MY_ENY", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    assert(n > -1);

    // 进行相关的写操作。
    close(n);
    return 0;
    
}

我们真的使用open函数模仿除了fopen的‘w’行为，但是，仔细观察：我们发现创建的文件权限列表为0664，但是我们在open参数列表中传入的是：0666。这其中是权限掩码的原因(umask)。我们系统设定的权限掩码为0002，真正的权限列表为：umask&mode。当然，这个掩码也是可以修改的：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
int main()
{
    umask(0);//修改权限掩码为0000；
    int n = open("MY_ENY", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    assert(n > -1);

    // 进行相关的写操作。
    close(n);
    return 0;

}

结果不出所料：

2.write函数

函数原型

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数：

fd，就是调用open的返回值，也就是文件描述符（这个之后再说）。
buf:需要写入文件的字符串的起始地址。
count，写入文件的字符串的长度。
其中第三个参数需要注意，传入的字符串长度是不算 \0 的，因为这是系统调用接口，并非C语言。

实例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include<string.h>
int main()
{
    int cnt=5;
    umask(0);//修改权限掩码为0000；
    int n = open("MY_ENY", O_WRONLY | O_CREAT , 0666);
    assert(n > -1);
    char *arr="abcdefg";
    char outBUffer[1024]={0};
    while(cnt--)
    {
        sprintf(outBUffer,"%s:%d\n",arr,cnt);
        ssize_t m=write(n,outBUffer,strlen(outBUffer));
        // 进行相关的写操作。
    }
    
    close(n);
    return 0;

}

运行一下：

结果不出意料。

接着，我们修改一下代码：修改一下要写入的数据。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include<string.h>
int main()
{
    int cnt=5;
    umask(0);//修改权限掩码为0000；
    int n = open("MY_ENY", O_WRONLY | O_CREAT ,0666);
    assert(n > -1);
    char *arr="www";
    char outBUffer[1024]={0};
    while(cnt--)
    {
        sprintf(outBUffer,"%s:%d\n",arr,cnt);
        ssize_t m=write(n,outBUffer,strlen(outBUffer));
        // 进行相关的写操作。
    }
    
    close(n);
    return 0;

}

运行一下：我们发现结果并不是我们预料的把之前的内容清空，然后再重新写入。

这是因为我们少传入了一个flag选项O_TRUNC，这个选项的作用就是在写入之前，清空文件里边的所有内容。

我们传入这个flag选项观察一下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include<string.h>
int main()
{
    int cnt=5;
    umask(0);//修改权限掩码为0000；
    int n = open("MY_ENY", O_WRONLY | O_CREAT|O_TRUNC ,0666);
    assert(n > -1);
    char *arr="www";
    char outBUffer[1024]={0};
    while(cnt--)
    {
        sprintf(outBUffer,"%s:%d\n",arr,cnt);
        ssize_t m=write(n,outBUffer,strlen(outBUffer));
        // 进行相关的写操作。
    }
    
    close(n);
    return 0;

}

如此，一切都显得合理合规了。

3.read函数

read函数是Linux下的一个系统调用接口，C语言的fread函数的底层就是read。作用为从一个特定的文件流中读取内容。

函数原型：

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数：

fd：是一个文件描述符，就是调用open函数时的返回值。
buf:表示从文件中读取的内容读到buf里。
count：表示读取的元素个数。

返回值

如果读取成功的话，返回读取到的元素的个数。

实例：

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
int main()
{
    int cnt=5;
    //umask(0);//修改权限掩码为0000；
    //int n = open("MY_ENY", O_WRONLY | O_CREAT|O_TRUNC ,0666);
    //assert(n > -1);
    int n=open("MY_ENY",O_RDONLY);//读文件时，文件一定存在。
    char arr[1024]={0};//先定义一个缓冲区，用于存放读取到的内容。
    ssize_t m=read(n,arr,sizeof(arr));
    assert(m>0);
    arr[m]='\0';//使用C语言的方式对内容进行打印，字符串以'\0'结尾，\0=0=nullptr;:wq

    printf("%s",arr);
    
    close(n);
    return 0;

}

运行一下：