Linux系统之----基础IO

1.基础概念： 

文件与内容操作

文件由内容和属性组成。内容是文件存储的数据，而属性可能包括文件的创建时间、修改时间、权限等。对文件的操作可以分为对内容的操作和对属性的操作。

文件的打开：

在访问一个文件之前，通常需要先将其打开。这是因为操作系统需要将文件加载到内存中，以便进行读写操作。如果一个文件没有被打开，它就存在于磁盘上，而不是在内存中

谁打开文件：

用户可以通过命令行（如bash）启动进程来打开文件。进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。

操作系统的角色：

操作系统负责管理文件的打开和关闭。它确保进程能够安全地访问文件，并且在不需要时释放资源。操作系统通过系统调用（如open）来打开文件，这是进程与操作系统交互的一种方式。

文件描述符：

操作系统使用文件描述符来跟踪每个打开的文件。文件描述符是一个数字，用于在程序中引用特定的文件。一定存在一种数据结构体（如进程控制块PCB）来描述被打开的文件，这有助于操作系统管理文件的打开状态。

进程与文件的关系：

进程有task_struct，这是操作系统用来描述进程的数据结构。它包含了进程的状态信息，包括打开的文件。研究进程与文件的关系，实际上是研究进程如何通过操作系统来访问和管理文件。

 2.fopen函数：

2.1 函数原型

 2.2 参数解释

pathname就是路径名，就是你想打开的那个文件的路径

mode是指文件的打开模式，具体的模式可以参考下图

只读模式 ("r")：打开一个已经存在的文件，用于读取操作。如果文件不存在，返回 NULL。

写入模式 ("w")：打开一个文件，用于写入操作。如果文件不存在，创建新文件。如果文件已存在，清空文件内容。

追加模式 ("a")：打开一个文件，用于追加写入操作。如果文件不存在，创建新文件。如果文件已存在，写入内容追加到文件末尾。

读写模式 ("r+")：打开一个已经存在的文件，用于读写操作。文件指针放在文件的开头。

写入和读取模式 ("w+")：打开一个文件，用于读写操作。如果文件不存在，创建新文件。如果文件已存在，清空文件内容。文件指针放在文件的开头。

追加和读取模式 ("a+")：打开一个文件，用于追加写入和读取操作。如果文件不存在，创建新文件。如果文件已存在，写入内容追加到文件末尾。文件指针放在文件的末尾。

二进制只读模式 ("rb")：类似于只读模式，但用于二进制文件。

二进制写入模式 ("wb")：类似于写入模式，但用于二进制文件。

二进制追加模式 ("ab")：类似于追加模式，但用于二进制文件。

二进制读写模式 ("rb+")：类似于读写模式，但用于二进制文件。

二进制写入和读取模式 ("wb+")：类似于写入和读取模式，但用于二进制文件。

二进制追加和读取模式 ("ab+")：类似于追加和读取模式，但用于二进制文件。

2.3 返回值

成功时，fopen 返回一个指向 FILE 结构的指针，该结构用于后续的文件操作。如果打开文件失败，返回 NULL，并设置 errno 以指示错误原因。

2.4 错误处理

如果文件打开失败，可以通过检查返回值是否为 NULL 来确定。可以使用 perror 或 strerror 函数来获取错误描述。

2.5 代码示例

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;fp = fopen("example.txt", "r"); // 以只读模式打开文件if (fp == NULL) {perror("Error opening file");return -1;}// 进行文件操作...fclose(fp); // 关闭文件return 0;
}

2.6 注意事项

1、文件指针：fopen 返回的 FILE 指针用于后续的文件读写操作。

2、文件路径：fopen 需要文件的完整路径或相对于当前工作目录的路径。当前工作目录（CWD）可以通过 getcwd 函数获取。

3、文件模式：不同的模式允许不同的文件操作，如读取、写入、追加等。

4、使用 fopen 打开文件后，应该在完成文件操作后调用 fclose 来关闭文件，以释放资源。

5、在处理文件时，始终检查 fopen 的返回值，以确保文件正确打开。

 3.echo

当我们输入echo "hello word" > log.txt的时候，会重定向到log.txt文件中，必须先打开这个文件，之后才能写入，默认是w方式，所以我们下次写的时候如果用>，原文件内容就会被清空，而如果使用>>就不会

4.输出信息到显示器的方法

1.通过键盘输入数字（如12345），讨论输入的是int 12345还是一个1 2 3 4 5，答案是后者，说明显示器被叫做字符设备

2.我今天向显示器写入12345，我是写了一个int 12345 ，还是向显示器写入了int 12345？答案是向显示器写入了字符1 2 3 4 5 ，所以说显示器是字符设备！！

5.标准输入输出流

标准输入输出流：

stdin：标准输入流，通常与键盘文件关联。

stdout：标准输出流，通常与显示器文件关联。

stderr：标准错误流，通常与显示器文件关联，用于输出错误信息。

而我们的进程在启动的时候，会默认打开三个输入输出流，本质上就是打开三个文件，换句话说，凡是使用CPU计算的，都要进程默认打开对应的文件

那我们不妨来查看一下这三个标准流：

我们输入man 3 stdin

6.fopen

 首先我们查看一下这个函数

6.1 参数解释

1. pathname:

   • 文件路径和文件名。用于指定要打开或创建的文件。

     2.flags:

               打开文件的方式，由一组标志位组合而成。常用的标志包括：

    O_RDONLY：以只读方式打开。

    O_WRONLY：以只写方式打开。

    O_RDWR：以读写方式打开

    O_APPEND：写入时追加到文件末尾。

    O_CREAT：如果文件不存在，则创建它，并使用mode参数指定的权限。

    O_TRUNC：如果文件存在，则截断文件长度为0。

这些标志可以使用按位或运算符（|）组合，例如：

open("file.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);

 实际上，这些每个标志都是一个宏，定义为一个数字，其中只有一个比特位是1，其他位是0。这样可以通过按位或运算符组合多个标志。

3.mode:

文件权限模式，用于指定新创建文件的权限。权限模式是一个mode_t类型的值，通常由以下三位权限组成：即前文所讲的rwx，也可以用数字表示，如666是所有权限均为可读可写，rw-

注意：

1.如果文件已经存在，可以只使用两个参数（pathname和flags）来打开文件

6.2 位图传递标志位

6.2.1 定义

位图传递标志位是一种通过位运算组合多个标志位的方法。在文件操作中，标志位用于指定文件的打开模式（如只读、只写、读写、追加等）。每个标志位是一个单独的位，通过按位或运算符（|）将它们组合在一起。

6.2.2 常见的标志位总结

标志位	描述
O_RDONLY	以只读方式打开文件
O_WRONLY	以只写方式打开文件
O_RDWR	以读写方式打开文件
O_APPEND	写入时追加到文件末尾
O_CREAT	如果文件不存在，则创建文件
O_TRUNC	如果文件存在，则截断文件长度为0
O_EXCL	与O_CREAT一起使用，如果文件已存在则打开失败

6.2.3 位图传递标志位的原理

每个标志位对应一个独立的位，通常定义为宏，表示为一个数字，其中只有一个比特位为1。例如

#define O_RDONLY  00
#define O_WRONLY  01
#define O_RDWR    02
#define O_APPEND  04
#define O_CREAT   0100
#define O_TRUNC   01000
#define O_EXCL    02000

这些宏定义允许通过按位或运算符组合多个标志位。例如：

int flags = O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT;

上述代码组合了读写模式、追加模式和创建模式。

 6.2.4 优点

灵活性：允许组合多个标志位，满足不同的文件操作需求。

可读性：通过宏定义，使代码更具可读性，易于理解和维护。

跨平台性：位图传递标志位在不同操作系统上可能具有不同的定义，但其使用方式类似。跨平台编程中，标准库函数（如fopen）会封装这些差异，提供统一的接口。

 

7.文件描述符

7.1 定义

在操作系统中，文件描述符（File Descriptor，FD）是一个用于访问文件的整数，它是一个数组索引，指向内核中的文件描述符表。文件描述符表维护了文件的状态和操作信息。

7.2 文件描述符的管理

内核管理：每个进程都维护着一个文件描述符表，包含多个文件描述符。内核通过这些描述符来管理文件的打开、读取、写入和关闭操作。

标准文件描述符：通常，进程启动时会默认打开三个文件描述符：

0：标准输入（stdin）

1：标准输出（stdout）

2：标准错误（stderr）

7.3 跨平台性

跨平台性是指软件能够在多种不同的操作系统上运行，无需修改或只需少量修改。在文件操作中，不同操作系统（如Linux、Windows、macOS）可能有不同的文件接口和实现方式。

7.3.1为什么需要跨平台性？

1.提高语言竞争力：支持跨平台可以让编程语言吸引更广泛的用户群体，提升其使用率和影响力。

2.便捷性：开发者无需针对不同平台编写不同代码，降低了开发成本和复杂度。

7.3.2 如何实现跨平台性？

标准库封装：高级语言通常会提供标准库封装底层的系统调用，如C语言的<stdio.h>库。这些库在不同平台上实现细节可能不同，但对开发者提供了统一的接口。

Linux：调用open、read等系统调用。

Windows：调用CreateFile、ReadFile等API。

条件编译：开发者使用条件编译指令（如#ifdef）来编写可在不同平台运行的代码。

#ifdef LINUX// Linux系统调用
#elif defined(WIN32)// Windows API调用
#endif