[操纵体系] 基础 IO：明白“文件”与 C 接口
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在 Linux 操纵体系中，“统统皆文件”这一哲学思想贯穿始终。从基础 IO 学习角度来看，明白“文件”不仅仅意味着相识磁盘上存储的数据，还包括对内核怎样管理各种资源的认识。本文将从狭义与广义两个层面临“文件”进行解读，归纳文件操纵的分类，并从体系角度剖析文件的底层实现；接着回顾 C 语言文件接口部门，通过 hello.c 案例展示文件的打开、写入与读取，同时探讨怎样将信息输出到显示器、标准流的使用以及各种文件打开方式。
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明白“文件”
1-1. 狭义明白
在狭义上，“文件”通常指存储在磁盘中的普通文件。它是由字节（或字符）序列构成的数据集合，在磁盘上以肯定的结构保存（如 FAT、ext4 等文件体系）。使用狭义概念时，我们关注的是文件的内容、巨细、权限等属性。比方，一个存放文本数据的文件或一个二进制文件，都可以被看作传统意义上的“文件”。文件对外设的输入输出简称IO。
示例代码（仅演示概念，不涉及实际操纵）：
// 假设 f1.txt 是一个普通文本文件
FILE *fp = fopen("f1.txt", "r");// 以只读方式打开文件
if (fp == NULL) {
perror("打开文件失败");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 读取或处理文件...
fclose(fp);
1-2. 广义明白
广义上，Linux 中的“文件”概念远不止传统的磁盘文件。Linux 哲学中**“统统皆文件”**意味着：
[*]设备文件：包括字符设备、块设备，代表硬件（如键盘、显示器、硬盘）；
[*]管道和套接字：用于进程间通讯；
[*]目录：虽然目录本质上是特别类型的文件，但它们存储的是文件名和相干元数据；
[*]虚拟文件：比方 /proc 下的各种伪文件，用于显示内核和进程状态。
这种广义的明白使得操纵体系将各种资源同一为文件接口，步调员在操纵时无需关心底层硬件的细节，只需通过同一的读写操纵即可。
1-3. 文件操纵的归类认知
文件是文件属性（元数据）和文件内容的集合，文件 = 属性 + 内容。
所以所有的文件操纵都是对文件内容或者对文件属性操纵。
文件操纵大要可以分为以下几类：
[*]序次读写：文件数据按序次读取和写入。
[*]随机访问：通过定位（如 lseek）在文件中跳转到恣意位置进行读写。
[*]标准流操纵：通过 C 标准库的 fopen、fread、fwrite、fseek、fclose 等接口操纵文件，这是一种缓冲 IO 方式，适用于大多数应用步调。
[*]体系调用接口：使用 open、read、write、lseek、close 等体系调用，直接与内核交互，具有更低的开销和更高的机动性，但使用较为复杂。
通过这样的分类，我们可以根据实际需求选择合适的接口。
1-4. 体系角度
[*]对文件的操纵本质上是进程对文件的操纵。
[*]磁盘管理者是操纵体系，操纵体系对打开的文件管理的方式是：先描述，后构造。
[*]文件读写的本质不是通过各种语言的库函数来操纵完成的，上层语言知识为了给用户提供方便，而是通过文件相干的体系调用来实现的。
回顾 C 文件接口
2-1. hello.c 打开文件
在 C 语言中，使用 fopen() 打开文件。函数原型如下：
FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
此中，filename 表示文件名（可包含路径），mode 指定打开模式（如 “r”、“w”、“a” 等）。
示例代码：
// hello.c —— 打开文件示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void) {
FILE *fp = fopen("hello.txt", "w+"); // 以读写方式打开，如果文件不存在则创建，存在则清空
if (fp == NULL) {
perror("打开文件失败");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("文件打开成功，文件指针：%p\n", fp);
fclose(fp);
return 0;
}
2-2. hello.c 写文件
写文件操纵可以使用 fwrite()、fputs()、fprintf()、fputc() 等接口。这里以 fputs() 为例：
fputs("Hello, Linux IO!\n", fp);
或者使用 fprintf() 进行格式化输出：
fprintf(fp, "数字：%d，字符串：%s\n", 123, "abc");
示例代码：
// hello.c —— 写文件示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void) {
FILE *fp = fopen("hello.txt", "w+");
if (fp == NULL) {
perror("打开文件失败");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 使用 fprintf 写入数据
fprintf(fp, "Hello, Linux IO!\n");
// 使用 fputs 写入字符串
fputs("这是通过 fputs 写入的一行文字。\n", fp);
fclose(fp);
return 0;
}
新文件的创建路径
<font style="color:rgb(31,35,41);">ls /proc/[进程id] -l</font>可以检察当前运行进程的信息。
[@VM-8-12-centos io]$ ps ajx | grep myProc
506729 533463 533463 506729 pts/249 533463 R+ 1002 7:45 ./myProc
536281 536542 536541 536281 pts/250 536541 R+ 1002 0:00 grep --
color=auto myProc
[@VM-8-12-centos io]$ ls /proc/533463 -l
total 0
......
-r--r--r-- 10 Aug 26 17:01 cpuset
lrwxrwxrwx 10 Aug 26 16:53 cwd -> /home/ddd/io
-r-------- 10 Aug 26 17:01 environ
lrwxrwxrwx 10 Aug 26 16:53 exe -> /home/ddd/io/myProc
dr-x------ 20 Aug 26 16:54 fd
此中：
cwd：指向当进步程运⾏⽬录的⼀个符号链接，当进步程中创建文件的默认相对路径。
exe：指向启动当进步程的可执⾏⽂件（完整路径）的符号链接。
每个进程在运行时都有一个当前工作目录（CWD），这是进程在文件体系中的“当前位置”。当进程打开一个文件时，如果文件路径是相对路径（即不以 / 开头），操纵体系会默认将这个路径剖析为相对于进程的当前工作目录。
2-3. hello.c 读文件
读文件操纵常用的接口包括 fread()、fgets()、fgetc()。比方，使用 fgets() 逐行读取文件：
char buffer;
while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {
printf("%s", buffer);
}
示例代码：
// hello.c —— 读文件示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void) {
FILE *fp = fopen("hello.txt", "r");
if (fp == NULL) {
perror("打开文件失败");
exit(EXIT_FAILURE);
}
char buffer;
while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {
printf("%s", buffer);
}
fclose(fp);
return 0;
}
稍加改动即可模拟cat下令。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char* argv[]) {
// 检查命令行参数数量是否正确
if (argc != 2) {
printf("argv error!\n");
return 1;
}
// 打开文件
FILE *fp = fopen(argv, "r");
if (!fp) {
printf("fopen error!\n");
return 2;
}
// 定义缓冲区
char buf;
// 循环读取文件内容
while (1) {
int s = fread(buf, 1, sizeof(buf), fp);
if (s > 0) {
// 确保字符串以空字符结尾
buf = '\0';
printf("%s", buf);
}
if (feof(fp)) {
break;
}
}
// 关闭文件
fclose(fp);
return 0;
}
2-4. 输出信息到显示器，你有哪些方法
在 C 语言中，将信息输出到显示器有多种方式：
[*]printf()：最常用，直接向标准输出（stdout）输特别式化字符串。
[*]puts()：输出字符串，并自动追加换行符。
[*]fprintf(stdout, …)：与 printf() 类似，但明白指定输出到 stdout。
[*]fputs()：输出字符串，但不自动追加换行符。
[*]putchar()/fputc()：逐字符输出。
每种方法各有优势，选择时可根据需求决定是否需要格式化、是否自动换行等。
2-5. stdin & stdout & stderr
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在 C 语言中，标准流定义在 <stdio.h> 中：
[*]stdin：标准输入流（默认绑定键盘）。
[*]stdout：标准输出流（默认绑定显示器）。
[*]stderr：标准错误流（默认绑定显示器，用于输出错误信息）。
这些流也是文件，在步调启动时添加打开这些流的代码，自动打开，所以在步调中可以直接使用这三个流，不需要调用 fopen()。
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可以发现这三个标准流和fopen的返回值都是FILE，文件指针。后续会进行讲解。
2-6. 打开文件的方式
C 语言中使用 fopen() 打开文件时，可选模式包括：
[*]“r”：只读模式，文件必须存在。
[*]“w”：只写模式，文件存在则清空，不存在则创建。
[*]“a”：追加模式，写入时追加到文件末了，文件不存在则创建。
[*]“r+”：读写模式，文件必须存在，不会清空原文件内容，写入操纵从文件开始覆盖。
[*]“w+”：读写模式，文件存在则清空，不存在则创建。
[*]“a+”：读写模式，写入操纵始终追加到文件末了，但可读取整个文件内容。
对于二进制文件，需在模式字符串中添加字母 “b”（如 “rb”, “wb”, “ab+” 等）。
总结
本文从狭义与广义两方面深入探讨了 Linux 中的“文件”概念，阐释了文件操纵的分类及体系底层实现——包括文件描述符、inode、缓冲机制等。随后，通过 hello.c 案例具体回顾了 C 语言文件接口的使用方法，从文件的打开、写入、读取，到怎样利用各种标准流（stdin、stdout、stderr）输出信息，以及不同的文件打开模式。希望本文能为大家在 Linux 基础 IO 学习及 C 语言文件操纵实践中提供清晰的指导和资助。
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