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Linux基础IO

backend 2025/5/6 10:15:38

概念：IO就是内存和外设之间的数据传输过程

c文件IO相关操作

在 C 语言中，FILE* 是一种用于文件操作的指针类型。它被定义在 <stdio.h> 头文件中，用于表示一个文件流，是对文件进行各种操作（如读取、写入、定位等）的关键数据结构。

简单来说：FILE是一个typedef过的结构体，FILE 是一个结构体类型，包含了与文件相关的各种信息，如文件的当前位置、缓冲区状态、文件描述符等。

1. 文件打开与关闭

fopen
- 功能：打开一个文件并返回一个指向 FILE 对象的指针。
- 原型：FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
- 参数：filename 是要打开的文件的名称，mode 是打开文件的模式（如 "r" 表示只读，"w" 表示写入，"a" 表示追加等）。
- "r"：以只读模式打开文件。文件必须存在，否则 fopen 会返回 NULL。此模式下只能从文件中读取数据，不能写入。
- "w"：以写入模式打开文件。如果文件不存在，就会创建一个新文件；若文件已存在，其内容会被清空。该模式下只能向文件写入数据，不能读取。
- "a"：以追加模式打开文件。若文件不存在，会创建一个新文件；若文件已存在，写入的数据会被添加到文件末尾。此模式下只能向文件写入数据，不能读取。
freopen（了解）
- 功能：关闭一个已打开的流，并将该流重定向到指定的文件。
- 原型：FILE *freopen(const char *filename, const char *mode, FILE *stream);
- 参数：filename 是新文件的名称，mode 是打开模式，stream 是要重定向的流。也就是说，原本与 stream 关联的文件会被关闭，然后 stream 会与新的文件（由 filename 指定）建立关联。
fclose
- 功能：关闭一个已打开的文件流。
- 原型：int fclose(FILE *stream);
- 参数：stream 是要关闭的文件流指针。

2. 文件读写操作

字符读写

fgetc
- 功能：从文件流中读取一个字符。
- 原型：int fgetc(FILE *stream);
- 参数：stream 是要读取的文件流指针。
fputc
- 功能：将一个字符写入文件流。
- 原型：int fputc(int c, FILE *stream);
- 参数：c 是要写入的字符，stream 是目标文件流指针。
getc
- 功能：与 fgetc 类似，从文件流中读取一个字符，但通常作为宏实现。
- 原型：int getc(FILE *stream);
putc
- 功能：与 fputc 类似，将一个字符写入文件流，通常作为宏实现。
- 原型：int putc(int c, FILE *stream);
getchar
- 功能：从标准输入读取一个字符。
- 原型：int getchar(void);
putchar
- 功能：将一个字符写入标准输出。
- 原型：int putchar(int c);

注意：也就是getc和putc是一个宏函数，会在调用它的地方展开，有一定的宏风险。getchar 和putchar函数的功能是从标准输入（通常是键盘）读取一个字符。它不需要传入文件流指针，因为默认是从标准输入流 stdin 读取数据。

字符串读写

fgets
- 功能：从文件流中读取一行字符串。
- 原型：char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
- 参数：s 是存储读取字符串的缓冲区，size 是缓冲区的大小，stream 是要读取的文件流指针。
fputs
- 功能：将一个字符串写入文件流。
- 原型：int fputs(const char *s, FILE *stream);
- 参数：s 是要写入的字符串，stream 是目标文件流指针。
gets
- 功能：从标准输入读取一行字符串（由于存在缓冲区溢出风险，不建议使用）。
- 原型：char *gets(char *s);
puts
- 功能：将一个字符串写入标准输出，并在末尾添加换行符。
- 原型：int puts(const char *s);

格式化读写

fscanf
- 功能：从文件流中按指定格式读取数据。
- 原型：int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
- 参数：stream 是要读取的文件流指针，format 是格式化字符串，后续为接收数据的变量地址。
fprintf
- 功能：将数据按指定格式写入文件流。
- 原型：int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
- 参数：stream 是目标文件流指针，format 是格式化字符串，后续为要写入的数据。
scanf
- 功能：从标准输入按指定格式读取数据。
- 原型：int scanf(const char *format, ...);
printf
- 功能：将数据按指定格式写入标准输出。
- 原型：int printf(const char *format, ...);

二进制读写

fread
- 功能：从文件流中读取二进制数据。
- 原型：size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
- 参数：ptr 是存储读取数据的缓冲区指针，size 是每个数据项的大小，nmemb 是要读取的数据项数量，stream 是要读取的文件流指针。
fwrite
- 功能：将二进制数据写入文件流。
- 原型：size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
- 参数：ptr 是要写入的数据的缓冲区指针，size 是每个数据项的大小，nmemb 是要写入的数据项数量，stream 是目标文件流指针。

3. 文件定位操作

fseek
- 功能：设置文件流的文件位置指示器。
- 原型：int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
- 参数：stream 是文件流指针，offset 是偏移量，whence 是起始位置（如 SEEK_SET 表示文件开头，SEEK_CUR 表示当前位置，SEEK_END 表示文件末尾）。
ftell
- 功能：返回文件流的当前文件位置指示器。
- 原型：long ftell(FILE *stream);
- 参数：stream 是文件流指针。
rewind
- 功能：将文件流的文件位置指示器设置到文件开头。
- 原型：void rewind(FILE *stream);
- 参数：stream 是文件流指针。

4. 文件状态检查

feof
- 功能：检查文件流是否到达文件末尾。
- 原型：int feof(FILE *stream);
- 参数：stream 是文件流指针。
ferror
- 功能：检查文件流是否发生错误。
- 原型：int ferror(FILE *stream);
- 参数：stream 是文件流指针。
clearerr
- 功能：清除文件流的错误标志和文件结束标志。
- 原型：void clearerr(FILE *stream);
- 参数：stream 是文件流指针。

5. 临时文件操作

tmpfile
- 功能：创建一个临时二进制文件并以读写模式打开。
- 原型：FILE *tmpfile(void);
tmpnam
- 功能：生成一个唯一的临时文件名。
- 原型：char *tmpnam(char *s);
- 参数：s 是存储临时文件名的缓冲区，如果为 NULL，则返回一个指向静态缓冲区的指针。

6. 变参函数接口

vfscanf、vscanf：与 fscanf、scanf 类似，但使用可变参数列表。
vfprintf、vprintf：与 fprintf、printf 类似，但使用可变参数列表

注意：操作系统会默认打开三个文件，stdin&stdout&stderr

stdin 用于程序获取外部输入，默认是键盘输入。
stdout 用于程序向外部输出正常信息，默认显示在终端屏幕。
stderr 用于输出程序运行过程中的错误信息，确保错误信息能及时被用户看到。

系统文件I/O

open系统调用接口

可以看到在2号手册open系统接口调用

先看第二个函数，第一个是指向字符串的指针，代表要打开或创建的文件的路径名。路径名可以是绝对路径（如 /home/user/file.txt），也可以是相对路径（如 file.txt）。

第二个是标记位（O_RDONLY等等不同的宏有不同的比特位）

第三个就是权限（这里的权限是文件权限0666等）

返回值：成功返回new file descriptor文件描述符，失败返回-1

第一个函数与第二个的区别：第一个是文件存在时，第二个是文件文件不存在时，所以要指明你创建时候的文件权限

深入理解标记位：

标记位传参：

#define ONE (1<<0)
#define TWO (1<<1)
#define THREE (1<<2)
void Show(int flags)
{if(flags&ONE){printf("one");}if(flags&TWO){printf("two");}if(flags&THREE){printf("three");}
}
int main()
{Show(ONE);Show(ONE|TWO);
}

可以看到ONE等宏定义是1通过左移（也就是向高位移动，低位补0）得到的，按位或|操作能把不同的比特位变为1，flags为传进来的标记位，按位与后如果对应的位都是1就是true，如果不是，则为false，因此我们可以通过标记位然后通过不同的if语句进行不同的流。

本质就是一种标记位传参

close系统调用接口

fd该参数是一个整数类型的文件描述符，它代表着要关闭的文件或其他 I/O 资源。文件描述符通常是通过 open、socket、pipe 等系统调用获得的。

如果 close 调用成功，它会返回 0，表示文件描述符已成功关闭，相关的系统资源已被释放。

若调用失败，close 会返回 -1，并且会设置全局变量 errno 来指示具体的错误原因。

write系统调用接口

fd：这是一个整数类型的文件描述符，代表了要写入数据的目标文件、设备或者其他 I/O 资源。通常，文件描述符是通过 open、socket、pipe 等系统调用获得的。例如，标准输出的文件描述符是 1，若你将 fd 设置为 1，数据就会被写入到标准输出（通常是终端屏幕）。

buf:缓冲区

count：要写多少（以字节为单位）

返回值：

成功返回实际写入的字节数，这个值可能小于 count。例如，当磁盘空间不足或者到达文件系统的限制时，实际写入的字节数可能会少于请求写入的字节数。

如果写入操作失败，write 会返回 -1，并且会设置全局变量 errno 来指示具体的错误原因。

read系统调用接口

与write一样

lseek系统调用接口

fd：文件描述符

offset ：这是一个 off_t 类型的偏移量，用于指定相对于 whence 参数所指定位置的偏移字节数。offset 可以是正数、负数或零。正数表示向文件末尾方向移动，负数表示向文件开头方向移动，零表示不移动

whence:这是一个整数参数，用于指定 offset 的起始位置。它有以下三个常用的取值：

SEEK_SET：表示从文件的开头开始计算偏移量。此时，offset 必须是非负的。
SEEK_CUR：表示从文件的当前偏移量位置开始计算偏移量。offset 可以是正数、负数或零。
SEEK_END：表示从文件的末尾开始计算偏移量。offset 可以是正数、负数或零。如果 offset 为正数，则会将文件偏移量设置为文件末尾之后的位置；如果 offset 为负数，则会将文件偏移量设置为文件末尾之前的位置。

返回值：如果 lseek 调用成功，它会返回新的文件偏移量，以字节为单位，从文件开头开始计算如果调用失败，lseek 会返回 -1，并且会设置全局变量 errno 来指示具体的错误原因。

简单编写一个系统调用接口实现的文件打开和关闭

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {int fd;char buffer[] = "Hello, World!";char read_buffer[20];off_t new_offset;// 以读写模式打开文件，如果文件不存在则创建fd = open("test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}// 写入数据到文件ssize_t bytes_written = write(fd, buffer, strlen(buffer));if (bytes_written == -1) {perror("write");close(fd);return 1;}// 将文件偏移量移动到文件开头new_offset = lseek(fd, 0, SEEK_SET);if (new_offset == -1) {perror("lseek");close(fd);return 1;}// 从文件中读取数据ssize_t bytes_read = read(fd, read_buffer, sizeof(read_buffer));if (bytes_read == -1) {perror("read");close(fd);return 1;}read_buffer[bytes_read] = '\0';printf("读取的数据: %s\n", read_buffer);// 关闭文件if (close(fd) == -1) {perror("close");return 1;}return 0;
}

fopen与open：fopen的各个模式就是open的标记位传参的不同

总结： c语言库函数fopen等都是基于系统调用接口open等的封装