【Linux】文件IO的系统接口

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总有光环在陨落，总有新星在闪烁

最近真的任务拉满了，真想一直安安静静的敲代码啊，补药来打扰我了。

我们前面这几篇博客算是把进程这个东西翻了个底朝天，接下来要做的就和文件相关了。为了方便后面对接口的调用，我会把我们要用的接口都在这里讲清楚。

文件接口可以分为两大类，一类是系统接口，一类是语言接口，当然了语言接口都是对系统接口的封装以方便用户使用。

C语言文件接口

fopen

fopen是 C 语言中的一个标准库函数，用于打开一个文件。它的函数原型在<stdio.h>头文件中定义，

FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );

filename是一个字符串，表示要打开的文件的路径（绝对路径或相对路径）
mode也是一个字符串，用于指定文件的打开模式

mode参数

只读模式（r）当使用"r"模式打开一个文件时，程序只能从文件中读取数据。如果文件不存在，fopen会返回NULL。
只写模式（w）以"w"模式打开文件时，会创建一个新文件（如果文件不存在），或者清空原有文件内容（如果文件已存在），然后用于写入数据。例如：
追加模式（a）使用"a"模式打开文件时，会在文件末尾追加数据。如果文件不存在，会创建一个新文件用于追加。

返回值是一个FILE*的指针，可以通过该值对文件进行进一步操作，FILE是一个结构体类型，里面存放了关于文件的各种信息，当然了，学C语言时的我们是不会去深入探究的，但学Linux的我们就需要好好研究它了。

fclose

fclose是 C 语言中用于关闭文件的标准库函数。，定义在<stdio.h>头文件中。

int fclose(FILE *stream);

stream是我们要关闭的文件的指针

成功关闭文件返回0，失败返回EOF（-1）

Linux的IO接口

在一个进程启动时，会自动打开三个输入输出流，即stdin，stdout，stderr，标准输入流，标准输出流，标准错误流，他们对应的硬件分别的是键盘，显示器，显示器，但是这些硬件被包装成了文件的形式，使得我们可以使用操作文件的方式通过FILE*指针操作他们

open

他是一个系统接口，用于打开文件

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/stat.h>
 #include <fcntl.h>
 int open(const char *pathname, int flags);
 int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

pathname是一个字符串，用于指定要打开或创建的文件的路径和名称。
flags是一个整数，用于指定文件的打开方式，

flags是以位图的形式被使用的，而下面这些选项其实就是整型所定义的宏，要用哪些选项直接通过按位或传参就行

只读方式（O_RDONLY）进程只能从指定的文件中读取数据。
只写方式（O_WRONLY）允许进程向文件中写入数据，但不能读取。
读写方式（O_RDWR）允许进程对文件进行读取和写入操作。
O_CREAT（创建文件）：如果要打开的文件不存在，就创建一个新的文件。
O_APPEND（追加模式）：用于在文件末尾追加数据。当文件以O_APPEND标志打开后，每次写入操作都会将数据添加到文件的末尾，而不会覆盖已有的内容。
O_TRUNC。用于截断现有文件的内容，在文件以可写方式打开时，将文件长度设置为 0。

如果你想在flags里传入多个宏，那就要以按位或的方式传参

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(){
    open("./test.txt",O_WRONLY);
    return 0;
}

这段代码在执行后，发现没有test.txt文件所以就什么也不做，而下面这段代码则是创建了该文件

int main(){
    open("./test.txt",O_WRONLY |O_CREAT);
    return 0;
}

但是这个文件是被标红了的，注意，这个不是我干的是OS干的，原因是他的权限是随机生成的，OS认为有问题所以给他标红，要解决这个问题就要引入第三个参数了

mode参数主要在创建新文件（O_CREAT被指定）时使用，用于指定新文件的权限。

int main(){
    open("./test.txt",O_WRONLY |O_CREAT,0666);
    return 0;
}

此时权限就被设置好了，当然了结果并不是我们传入的0666，而是0664，这是因为我们传入的是初始权限，而最后文件的权限还要在经过掩码修改，对掩码不清楚的可以移步这里Linux的权限讲解

文件描述符fd

好了，关于剩下的文件系统接口都需要一个叫做fd的参数，所以我们插叙一下，先来学fd

开宗明义：所谓的整型fd，其实就是数组下标

文件是等于文件内容+属性（创建时间、所属人等）的，在打开文件之前这些信息都被保存在了磁盘上。

假设我们创建了一份代码A，它里面包含一段打开文件的代码。那么当他被编译链接成可执行文件并且被执行时，就会成为进程A在CPU上执行代码，当CPU执行到了打开文件的代码段时，open函数被执行，根据冯诺依曼体系结构一个文件与CPU交互首先要加载到内存，于是文件就被从磁盘加载到了内存。在此基础上结合进程的知识，我们可以猜想电脑种可能有几十、几百个文件都被打开了，那这么多文件怎么被有效的管理呢？

因此，OS其实为文件设计了一个结构体struct file，去描述文件，之后再通过各种数据结构把这些结构体组织起来。关于这个结构体有什么我们暂且不讨论。

首先我们要明确，一个进程是可以打开多个文件的的，只需要写很多open函数就可以了，那么怎么把打开的文件和进程联系起来呢？很简单，我们在task_struct中加入一个struct file*的数组就可以了

具体是这样的，task_struct中有一个struct files_struct*类型的变量叫做files，它就是负责管理该进程所打开的文件信息的，该结构体中有一个数组struct file* fd_array，而文件描述符fd就是该数组中的下标，所以我们可以通过fd找到对应的文件。

在系统层面文件标识符fd是访问文件的唯一方式

现在我们就理解了为什么open函数的返回值是int类型，因为这个返回值就是被打开的文件fd

我们通过下面的代码展示一下

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(){
   int a1= open("./test1.txt",O_WRONLY |O_CREAT,0666);
   int a2= open("./test1.txt",O_WRONLY |O_CREAT,0666);
   int a3= open("./test1.txt",O_WRONLY |O_CREAT,0666);
   int a4= open("./test1.txt",O_WRONLY |O_CREAT,0666);
   int a5= open("./test1.txt",O_WRONLY |O_CREAT,0666);
   int a6= open("./test1.txt",O_WRONLY |O_CREAT,0666);
printf("%d\n%d\n%d\n%d\n%d\n%d\n",a1,a2,a3,a4,a5,a6);
   return 0;
}

可以看到系统在给文件分配fd时，就是递增的，毕竟数组下标本身也是递增的嘛，但是为什么我们打开的第一个文件fd时3呢？不应该是0吗，

原因很简单，每个进程在启动时都会默认打开三个输入输出流：stdin（标准输入流），stdout（标准输出流），stderr（标准错误流），他们的fd分别是0,1,2。

在验证这点之前先来点小分析：

现在我们知道c语言的文件接口都是对系统文件接口的封装，而系统文件接口想要被调用去访问文件做IO就需要传入fd（刚说了阿，在系统层面文件标识符fd是访问文件的唯一方式），可是我们随便看一个c语言的文件接口（如下图的fread）发现他的参数只有FILE*这个指针，于是我们就可以猜测fd是包含在FILE这个结构体中的。

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(){
printf("%d\n",stdin->_fileno);
printf("%d\n",stdout->_fileno);
printf("%d\n",stderr->_fileno);
    return 0;
}

我们也确实在FILE这个结构体中找到了一个成员fileno，它就是fd！

现在我们理解了fd就可以愉快的学习别的系统文件接口了

close

传入文件fd，即可关闭它

成功返回0，失败返回-1

 #include <unistd.h>

 int close(int fd);

write

向文件写入

 #include <unistd.h>

 ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

fd：要被写入的文件
buf：要写入的内容
count：要写入内容的大小，单位字节

读取成功返回写入内容的字节数，失败返回-1

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(){
int fd1=open("./test1.txt",O_WRONLY);
write(fd1,"HELLO",5);
close(fd1);
return 0;
}

结果是我们确实向test1.txt写入的HELLO

重点：

虽然我们传入的参数是字符串，但是write的buf类型是void，也就是什么参数都可以。

我们看下面的代码

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(){
int a=12345;
write(1,&a,4);
return 0;
}

我们在试着把变量a的值输出到显示器

然而最后的输出结果不是12345，而是90，这是因为write采用的是文本输入！

当我们把a的地址传入进去后他会以字符的方式分析。我的linux上是小端存储，12345的十六进制是0x00 00 30 39 ，所以他会依次解析一个字节大小的地址，分别是39,30,00,00，换成十进制就是57,48,0,0，在转换成字符就是‘9’、‘0、、’\0'.'\0'，所以最后的输出结果是90.

于是我们就知道，当我们要输出的不是char类型时，还要先把要输出的值转化为字符串形式，如下

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(){
int a=12345;
char buff[1024];
snprintf(buff,1024,"%d",a);
write(1,buff,4);
return 0;
}

这样显然是不方便的，于是c语言就封装出了printf等接口。

read

读取成功返回读取内容的字节数，开始读取时就已经是文件末尾则返回0，失败返回-1

ssize_t就是有符号整型

  #include <unistd.h>

  ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

fd：要用于读取数据的文件
buf：要把数据读到哪个指针所指向的空间
count：要读取的字节数

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(){
char arr[10];
int fd1=open("./test1.txt",O_RDONLY);
int first=read(fd1,arr,5);
printf("%d\n%s\n",first,arr);
int second=read(fd1,arr,5);
printf("%d\n",second);
close(fd1);
return 0;
}

第一次从test.txt读取了五个字节的字符串，所以返回值是5，第二次开始读取时已经到了文件末尾所以返回值是0

与write一样，read在从文件读取信息时也是文本读入，即读取的是字符或者字符串，假如我们要给一个int变量输入值，就要先把读取进来的字符串格式化

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
int main(){
int a;
char buff[1024];
read(0,buff,1024);
sscanf(buff,"%d",&a);
printf("a的值：%d\n",a);
return 0;
}

于是乎，scanf诞生了，他封装了read以方便我们的使用。

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