Linux--基础IO（上）

1. 文件的边角知识

1.1 文件是什么？

1.2 文件是怎么打开的？

1.3 进程与文件

进程与文件的关系

2. 重温c语言文件接口

2.1 打开文件的方式

2.2 读写文件接口的重温

2.2.1 写文件

2.2.2 读文件

3. 系统文件I/O

3.1 系统接口

3.2 系统接口的参数详解

3.3 文件描述符

3.4 fd的分配规则

3.5 重定向

3.6 dup2

1. 文件的边角知识

1.1 文件是什么？

文件=内容+属性。常说的对文件进行操作，不仅是对文件内容的读写，也有对文件属性的修改。比如修改文件名称，更新文件最新写入时间等。

1.2 文件是怎么打开的？

在linux的命令行界面中，我们打开文件是通过指令打开；在图形化界面中，我们只需要点击文件就可以打开。指令本质是程序，图形化界面点击同样也是一种程序，只不过被封装成了点击的行为罢了，在底层其实没有区别。

访问文件之前需要先打开文件，从上面的叙述中我们明白，文件就是被程序打开的，也即文件的打开工作是进程做的。

为什么呢？为什么不直接让操作系统打开？

文件不能直接被操作系统打开，而是由应用程序通过系统调用来请求操作系统打开文件。

冯诺依曼体系结构中明确规定，cpu不能与硬件接触。而对文件的处理要靠cpu来运算，但文件存储在磁盘中，因此我们需要将文件加载到内存中才能进行操作，当对文件的修改完成后，将新的文件在磁盘中更新。

1.3 进程与文件

文件是被进程打开的，但进程能够打开的文件并不只限于一个，即进程与文件是一对多的关系。

已打开的文件被加载到内存中，那么没有打开的文件呢？在磁盘里。

进程与文件的关系

我们知道，进程打开后会有一个进程控制块pcb来管理进程。Linux中的pcb被称为task_struct，即管理进程的结构体。文件当然也需要类似的结构体来管理，内核中必然有一个描述被打开文件的结构体，并用其定义对象，我们姑且称他为file_struct。

当进程打开文件后，进程与文件的关系就如下图。

在Linux内核源码中，我们看到在task_struct中包含files_struct结构体，注释为打开文件的信息。

2. 重温c语言文件接口

2.1 打开文件的方式

有没有发现一件奇妙的事情，w与输出重定向>功能十分类似，而a则与追加重定向>>类似，r与输入重定向<类似。

2.2 读写文件接口的重温

2.2.1 写文件

2.2.2 读文件

c语言会默认打开三个输入输出流：stdin，stdout，stderr。

我们可以将stdin视作键盘，将stdout视作显示器，stderr视作显示器（输出错误信息）。

我们来看看：

3. 系统文件I/O

3.1 系统接口

我们前面说，文件只能被程序通过系统调用来打开，也就是说c语言的文件接口中必定封装着文件操作的诸多系统调用。

我们之前说，c语言会默认打开三个流。注意：这里的FILE*是c语言自己封装的结构体。我们来看看他们是如何封装文件的系统调用。

下图是我们常用的几个系统调用接口。我们发现，open会返回一个int值fd，其他的接口都会使用这个fd。有没有可能，这个fd就类似于进程的pid，是文件的标识符呢？答案是肯定的。

也就是说，FILE*中封装着文件的标识符fd。

验证：

因此我们可以在系统调用中使用0/1/2来使用键盘/显示器/显示器。

3.2 系统接口的参数详解

我们以open接口为例：

下图介绍了flag与mode的常用选项。

这里的flag传参涉及了位运算传参，我们写一段代码来看看。

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{
   size_t fd = open("./log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);//以只写权限打开，如果文件不存在就创建，存在就清空
   const char* str="hahaha dashagua!";
   write(fd,str,strlen(str));
   close(fd);
    return 0;
}

3.3 文件描述符

文件描述符即3.1 中的fd，那么files_struct是如何管理被打开的文件呢？

请看下图，下面的structural flie* fd array[]就是一个指针数组，里面存放着每一个文件结构体的地址，而文件描述符就是数组下标，进程通过文件下标访问文件。

3.4 fd的分配规则

当我们关闭fd为1的stdout时，此时再打开一个文件log.txt，我们会发现此时我们对1的写入，会写进 log.txt中。这是因为此时打开的文件其fd为1。

如果我们关闭0或2，输出就会是0/2。

文件描述符的分配规则：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。

3.5 重定向

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:>, >>, <
那重定向的本质是什么呢？

重定向的本质就是改变了文件的输入输出流。

针对这一现象，我们有一个系统接口dup2，可以实现重定向的功能。

3.6 dup2

接口解释：

代码实验：

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
    size_t fd = open("./log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open error!");
        return 1;
    }
    dup2(fd,1);//重定向，让fd覆盖fd为1的显示器
    write(fd,"hahahah\n",8);//向fd写入，验证并非替换，且fd并未被关闭
    printf("我原本是要输入到显示器的，你看看我现在在哪？\n");//此时fd，1都指向log.txt
    close(fd);
    printf("fd关了，你看看我现在在哪？\n");



    //printf("hello hello!\n");
    return 0;
}

结果展示：