Linux系统编程——基础IO

一些前置知识：

文件 = 属性 + 内容

文件 分为 打开的文件、未打开的文件

打开的文件：由进程打开，本质是 进程与文件 的关系；维护的文件对象先加载文件属性，文件内容一般按需加载

未打开的文件：在永久性存储介质 —— 磁盘上；也需要被管理

C语言文件接口

fopen

打开文件并指定打开方式，返回 FILE* 文件对象指针

r：只读

w：写入、但在写入之前会清空文件；  > 重定向也是使用 w 方法写入文件

a：追加，在文件结尾写入； >> 追加方法

fwrite

向已打开的 FILE 文件对象写入 size 字节的内容

stdin、stdout、stderr

C程序默认启动时，会打开 3 个标准输入输出流，分别是 键盘文件 和 2 个显示器文件

fprintf

向指定文件对象 中写入

文件相关系统调用接口

未打开的文件存储在 磁盘上，磁盘是 外设，访问磁盘上的文件 —— 相当于在 访问硬件；

几乎所有的库，只要是 访问硬件设备相关，必定封装了系统调用

因为 操作系统 通过 硬件驱动 管理硬件，并向上层提供 系统调用接口；

open

参数解读：

pathname：文件路径

int flags：系统提供了设置好的多个 宏 标志位，可以 通过 位或运算 进行组合，以实现不同的 文件打开方法（bit 位级别的 标志位传递方式、有点类似位图了）

mode：以 8 进制的方式 设置被打开文件的权限，但还要经过 umask 权限掩码的计算（ 最终权限 = 起始权限 & (~umask) ）

返回值：一个较小的非负整数，文件描述符 file descriptor

int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
if( fd < 0 )
{perror("open error");return 1;
}

close

int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
if( fd < 0 )
{perror("open error");return 1;
}close(fd);

write

int fd = open("logggggg.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
int size_write = write(fd, "aaaaaaa", 3);	
close(fd);

默认从文件开始写，但不会清空原有内容，而是覆盖

小结

C文件相关库函数 封装了系统调用 open、write、close

C库中使用 自定义类型 FILE 类型的文件对象描述打开的文件，而系统调用中 使用 文件描述符 fd

不论什么语言，底层都是这种 封装系统调用的 模式，向用户提供 库函数，以便二次开发

文件描述符 fd

在 Linux 中，文件描述符 就是一个 小整数

当磁盘文件被加载到内存，内核为该进程创建 PCB，接着创建文件描述符表 struct files_struct，其中有 存放文件对象指针的 指针数组 struct file* fd_array[ ] ，接着打开 3 个默认的标准输入输出流 stdin、stdout、stderr，接着创建一个 struct file 自定义数据结构 描述被打开文件的属性；如果一个进程打开多个文件，那就创建多个文件对象 struct file，用 双链表指针 互相组织起来 —— 对文件的操作就变成了对该文件对象的 增删改查

通过从进程创建 到 打开文件捋一遍之后，文件描述符 fd 就是 文件描述符表 中 指针数组的 下标。

既然已经有文件描述符表来组织管理 打开的文件对象 struct file，那各个 struct file 还用双链表结构组织是否多此一举？

非也，考虑了如果进程崩掉了之类的意外情况。

通过 文件描述符表 结构，将 内核中的 进程管理模块 与 文件管理模块 解耦。

注意：除了 内核 默认打开的 3 个标准输入输出流文件，其余打开文件对象的指针 struct file* 依次按照文件描述符表的 空闲的 元素位置 进行分配。

用 系统调用 操作 fd

例 read：从文件中读取 count 字节数据

char buff[100];
ssize_t s = read(0, buff, sizeof(buff));
buff[s] = '\0';
printf("echo : %s\n", buff);

从文件描述符为 0 的文件中读取 sizeof(buff) 大小的数据，并写入 buff 开始的缓冲区中：

根据运行结果，回车也被写入，因为此时 bash 内的缓冲区为 行缓冲方式（见后文描述）

小结

为什么默认打开 stdin、stdout、stderr？

因为 操作系统启动时，键盘、显示器就已经被 操作系统 识别并打开了，在 其他进程被创建时，只需要将这三个 已经被打开的 文件对象struct file 的地址 填进 文件描述符表 中，使用就 ok。

Linux 中的文件相关 系统调用 只认文件描述符，不同于 C 库中封装的自定义类型 FILE（但 FILE 中一定封装了 文件描述符）

stdout 和 stderr 都指向显示器文件；

一个文件对象 struct file 可以被多个进程使用，例如 3 个默认的 stdin、stdout、stderr 可以被多个进程同时使用；所以 struct file 中会包含一个属性：引用计数

引用计数：记录有几个文件描述符 指向自己；调用 close 会使该文件对象的 引用计数 减 1，并且将 这个进程的 文件描述符表 中的 对应文件描述符下标 的指针数组 的元素 置空，以供其他打开的文件使用； 当被 close 的文件对象的引用计数为 1时，调用 close 会释放掉这个 文件对象。

重定向

本质：对进程的 文件描述符表 中的地址 进行内核级别的 拷贝。

文件描述符的分配规则：从文件描述符表的 0 下标开始，寻找空闲位置存放 新文件的 文件对象指针。

输出重定向

示例：将 本来写入显示器文件（文件描述符 1）的内容，写入 文件描述符为 5 的文件

操作系统提供了 系统调用接口，主要介绍 dup2 ：完成 拷贝文件描述符下标对应的 文件对象指针 的工作

int fd = open("fdddddddd.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666 );const char* str = "hello world forever!";//dup2(1, fd);dup2(fd, 1);
write(1, str, strlen(str));

追加重定向

与输出重定向一样，只是打开文件时 的 flags 参数，再按位或 O_APPEND，就是向文件中追加内容，而不是 清空掉原文件内容 再写入

int fd = open("fdddddddd.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666 );const char* str = "hello world forever!";//dup2(1, fd);dup2(fd, 1);
write(1, str, strlen(str));

输入重定向

示例：本来要从 stdin 中读取数据，可以使用 dup2 系统调用接口，拷贝 某个文件描述符对应的 文件对象指针，转为 从 另一个文件中读取数据

int fd = open("fdddddddd.txt", O_CREAT | O_APPEND | O_RDONLY, 0666 );                                                                                                                                    char buff[100];dup2(fd, 0);
ssize_t s = read(0, buff, sizeof(buff));
buff[s] = '\0';printf("%s", buff);

成功将 fddddddd.txt 重定向到 0 号文件描述符，使得本应从 stdin 读取数据存入 buff，转为 从 fdddddd.txt 中读取数据 存入 buff。

注：如果把 stdout、stdin、stderr 给重定向，覆盖掉了，有办法找到这三个文件，再重定向回来即可恢复

为什么 stdout、stderr 都指向显示器，应用场景：

在分离正常日志与错误日志时非常有用：

另外，命令行输出重定向时，默认被重定向的是 1号 文件描述符 stdout，可以省略不写。

注：程序替换 exce 接口功能，并不影响进程对 文件的访问。

小结

硬件设备都可以被进程，以 open 打开访问，因为 Linux 下一切皆文件：

1、内核为 进程创建 PCB —— task_struct，其中包含指针 指向文件描述符表

2、文件描述符表 这个指针数组中 存放着 struct file* —— 文件对象的指针

3、对于所有外设（键盘、显示器、磁盘等硬件）来说，进程在 打开它们并创建对应的 struct file 时，struct file 中有个自定义类型的指针 指向 struct operation_func

4、struct operation_func 中有相应的 读、写 的函数指针，不同外设共用相同的 struct operation_func 结构（一般情况下）；读、写和其他方法的 函数指针，指向相应的外设的 具体底层驱动的 函数方法实现，但这些对上层来说，是不用关心的；相同的函数指针 却指向 不同的方法实现，就像面向对象中的 多态一样

5、struct operation_func 结构中 有 读、写等方法的函数指针，不同外设的 底层驱动的 方法实现，就会用来 初始化这些 函数指针。

对于 C 库中的 stdin、stdout、stderr：

内核在创建进程时就已经把 0、1、2 这三个描述符指向同一个终端设备；

C 库只是随后把这三个描述符包装成 FILE* 变量（stdin、stdout、stderr），并加了一层缓冲而已。

在 Linux 中，键盘输入、屏幕输出都被抽象成同一个“终端设备文件”，这个终端设备文件既提供读接口（用户敲的字符）又提供写接口（送到屏幕的文字），因此 0、1、2 三个文件描述符实际上都指向同一个 inode（同一个 struct file），只是分别用于读、写、写。