【Linux基础IO】一、系统IO

利刃大大

发布于 2025-02-28 08:43:08

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代码可运行

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代码可运行

Ⅰ. 前言

我们知道 C语言 有文件操作接口，那么当然 C++、JAVA 这些语言都有文件操作接口。但是最让人烦的问题是这些语言之间的 IO 接口都是不一样的，这样子导致我们学习成本很高！

这些语言拥有文件操作接口的目的找到文件，然后对文件进行操作。那么文件是在磁盘上，磁盘是属于硬件。对于硬件的访问只有操作系统才能进行。所有人想访问磁盘都不能绕开操作系统，C语言也好，其他语言也罢都是人表达出意思让操作系统理解我们想要干嘛，所以任何上层语言想要进行对磁盘进行操作，都会使用操作系统提供的接口。

所以我们只要搞清楚了操作系统提供的 IO 接口，那么其它语言只是对其的一个包装而已！下面我们一起来认识一下系统的IO接口！

Ⅱ. 系统IO接口

一、open接口

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
// 功能：打开或者创建一个新文件或设备
// 返回值：打开成功返回打开文件的文件描述符（后面会讲到），打开失败则返回-1

// 参数：
// 	1、pathname代表要打开或创建的目标文件
//  2、flags代表打开文件时，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
// 	3、mode代表打开文件时所带的权限，对于普通文件一般是0666（要考虑掩码umask的值）

其中对于参数 flags 有下面几种：

O_RDONLY（read-only）：只读打开
O_WRONLY（write-only）：只写打开
O_RDWR（read-write）：读和写打开

打开上面这三个常量，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
O_TRUNC（truncate）：清空文件的内容

上面这些 flags 选项的 本质其实就是宏，用不同的比特位来表示不同的信号，比特位之间通过按位或传递选项，下面举个例子大家就懂原理了：

#include <stdio.h>

// 用不同的比特位来表示不同的信号
#define ONE (1 << 0) // 0
#define TWO (1 << 1) // 1
#define THREE (1 << 2) // 2
#define FOUR (1 << 3)  // 4
void showSig(int flags)
{
    if(flags & ONE) printf("one\n");    
    else if(flags & TWO) printf("two\n");    
    else if(flags & THREE) printf("three\n");    
    else if(flags & FOUR) printf("four\n");
}
int main()
{
    showSig(ONE);    
    printf("------------------------\n");   
    showSig(TWO);    
    printf("------------------------\n");    
    showSig(ONE|TWO);    
    printf("------------------------\n");    
    showSig(ONE|TWO|THREE);    
    printf("------------------------\n");    
    showSig(ONE|TWO|THREE|FOUR);    
    printf("------------------------\n");
    return 0;
}

// 运行结果
one
------------------------
two
------------------------
one
------------------------
one
------------------------
one
------------------------

下面我们先介绍 close 接口再进行代码测试！

二、close接口

 #include <unistd.h>
int close(int fd);
// 功能：关闭对应文件描述符指向的文件
// 返回值：成功关闭返回0，失败的话返回-1，并且设置errno为错误信息

① 测试一下open的返回值也就是fd的值

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    umask(0); // 将子进程中的umask设为想要的值，这里设为0
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0664);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

运行结果：
fd: 3

这里的 fd 为 3 是巧合吗？当然不是的，这个是 文件描述符(file descripter) ，并且我们也可以猜到，这也可能和文件指针是有关系的，这个我们后面会讲！！！

② 以不同的权限新建两个文件（默认掩码umask为0002）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0664); // 权限设为0664
    if(fd1 < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644); // 权限设为0644
    if(fd2 < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 关闭文件
    close(fd1);
    close(fd2);
    return 0;
}

三、write接口

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
// 功能：向文件描述符中写入内容
// 返回值：成功写入的话返回写入的字节个数，失败的话则返回-1，并且设置errno为错误信息

// 参数：
//  1、fd表示要被写入的文件描述符
//  2、buf表示写入的内容（可能是文本类也可能是二进制类，所以这里为void*）
//	3、count表示写入内容的大小，不算入'\0'（以字节为单位）

先来解析一下上面的参数设定：

buf 是要写入的内容，有可能是文本类也有可能是二进制类，但是操作系统不管，因为在操作系统看来，它要处理的都是二进制类的内容，而具体处理文本的内容其实是语言帮我们完成，这个要注意！所以buf的参数类型是 void* ，不会被传入的内容影响！
count 的问题主要是在我们传入大小时候，有可能会因为受语言级别的函数影响容易传错大小导致乱码，要 注意的是操作系统接收的大小里面是不需要包括‘\0’ 的，至于语言级别的函数想要传入包括 ‘\0’ ，这是语言的规定，和我们系统接口是没有关系的，比如说传入一个 buffer 字符串，那么大小只需要传入 strlen(buffer) 即可，不需要加一！

❓ 还要注意的一个细节：

我们 打开文件的时候默认是不会清空文件的内容的，所以对打开文件写入内容时候，如果里面含有旧内容，只会对旧内容进行覆盖，之所以我们之前调用的语言级别的函数会帮我们清空，那是它们帮我们做的额外工作，所以如果我们想要清空旧内容，不要忘记在打开文件的时候加上 O_TRUNC 这个选项！

① 将新内容写入新文件

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    // 注意要清空内容，带上O_TRUNC
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 将字符串写到文件中
    char buffer[1024];
    int cnt = 5;
    while(cnt--)
    {
        // 将字符串和数字通过sprintf转化为字符串
        sprintf(buffer, "%s：%d\n", "lirendada", cnt + 1);

        // 将新内容写入文件，注意系统接口是不包括'\0'的大小的
        write(fd, buffer, strlen(buffer));
    }

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

② 向文本中追加内容

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    // 注意不能清空内容，并带上O_APPEND
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buffer[1024];
    int cnt = 5;
    while(cnt--)
    {
        // 将字符串和数字通过sprintf转化为字符串
        sprintf(buffer, "%s：%d\n", "after append!!!", cnt + 10);

        // 追加新内容，注意系统接口是不包括'\0'的大小的
        write(fd, buffer, strlen(buffer));
    }

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

四、read接口

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
// 功能：从文件中读取内容到指定位置
// 返回值：成功读取的话返回读取内容的字节数，实际上该返回值就在'\0'的位置；失败的话返回-1，并且设置errno为错误信息

// 参数：
//  1、fd表示读取内容的文件描述符
//  2、buf表示读取内容的目标处
//  3、count表示读取内容的大小（以字节为单位）

有几个值得注意的点：

read 在读取文件中的内容后，假如我们放到字符数组中，它是不会帮我们添加 \0 的，所以我们必须要手动添加，而添加 \0 的位置刚好就是返回值的位置，因为返回值代表内容的大小！详细的看下面代码是如何读取的！
一般来说文件中是没有以 \0 结尾的，所以我们在读取的时候，如果是用字符数组接收的话，那么要多留一个位置出来，方便我们读取后手动添加 \0 。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 读取文件中的信息
    char buffer[1024];
    // 这里sizeof - 1是为了留位置给我们自己添加的'\0'腾出位置，因为文件中是不含'\0'的，要多预留一个位置出来
    ssize_t num = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);

    // 大于0表示读取成功，并将buffer的末尾设为'\0'，因为系统接口是不为我们添加'\0'的
    if(num != 0)
    {
        buffer[num] = '\0';
        printf("%s", buffer);
    }

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

// 运行结果：
[liren@VM-8-2-centos cfile]$ ./file 
lirendada：5
lirendada：4
lirendada：3
lirendada：2
lirendada：1
after append!!!：14
after append!!!：13
after append!!!：12
after append!!!：11
after append!!!：10
[liren@VM-8-2-centos cfile]$