【Linux】从open到write：系统文件I/O 的奥秘与实战指南
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/ab555cabdc4243bbbf348cc94ef9a7d0.png1.经典回首C文件接口
在使用C语言时，我们需要访问文件通常会用到fopen、 fwrite、和fread还有fclose等函数。
1.2 fwrite
比如此时我需要往文件中写入一些信息：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
FILE* fp = fopen("test.txt","w");
if(fp == NULL)
{
perror("fopen failed");
return 1;
}
const char* str = "i am yui~\n";
int len = strlen(str);
int num = 5;
while(num--)
{
fwrite(str,len,1,fp);
}
fclose(fp);
return 0;
}
执行结果：
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/FILETEST$ cat test.txt
i am yui~
i am yui~
i am yui~
i am yui~
i am yui~
1.2 fread
下面再来读一读文件中的内容：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
FILE* fp = fopen("test.txt","r");
if(!fp)
{
perror("fopen failed");
return 1;
}
const char* str = "i am yui~\n";
char s;
int len = strlen(str);
while(1)
{
ssize_t n= fread(s,1,len,fp);
if(n == len)
{
s = 0;
printf("%s",s);
}
if(feof(fp))
break;
}
return 0;
}
输出结果：
i am yui~
i am yui~
i am yui~
i am yui~
i am yui~
2. 系统文件I/O
除了使用上述C接口，我们还可以接纳系统接口来访问文件。
系统文件 I/O（输入/输出）是指在操作系统层面进行文件的读写操作。在 Linux 和其他类 Unix 系统中，系统文件 I/O 通常通过系统调用（system call）完成。与 C 尺度库的文件 I/O 函数（如 fopen、fread、fwrite）相比，系统文件 I/O 提供了更底层的控制和更高的效率，但操作也稍显复杂。
为了更好的理解系统文件I/O，我会用系统接口来实现上面的功能，并进行讲解。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
int main()
{
umask(0);//去除限制，防止后续干扰
int fd= open("myfile",O_WRONLY|O_CREAT,0644);
if(fd<0)
{
perror("open failed");
return 1;
}
int num = 5;
const char* str = "i am yui\n";
int len = strlen(str);
while(num--)
{
write(fd,str,len);
}
close(fd);
return 0;
}
2 open函数
由于如今我们需要用系统接口来打开文件，那么我们会用到open函数而不是fopen函数。
open 函数是 Unix 和类 Unix 操作系统中的一个系统调用，用于打开文件并返回一个文件形貌符。这个文件形貌符用于后续的文件操作，如读、写、关闭等。相比 C 尺度库的 fopen 函数，open 提供了更底层的控制，更得当系统级编程。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
2.1 参数介绍：
[*]pathname：要打开的文件的路径。
[*]flags：指定文件打开模式和行为的标记，决定文件的打开方式。
[*]mode：新文件的权限掩码，仅在O_CREAT标记创建文件时见效，指定文件的访问权限。
这之中的flags要好好聊聊。
[*]访问模式（必须包罗一个）：
[*]O_RDONLY：只读模式打开文件。
[*]O_WRONLY：只写模式打开文件。
[*]O_RDWR：读写模式打开文件。
O_RDONLY、O_WRONLY 和 O_RDWR 中只能选择一个，它们控制文件的基础读写权限。
[*]文件创建和控制：
[*]O_CREAT：若文件不存在，则创建文件。此标记常与 mode 参数一起使用来指定文件的权限。
[*]O_EXCL：必须与 O_CREAT 组合使用。如果文件已存在，则返回错误，制止重复创建。这种组合常用于创建唯一文件。
[*]O_TRUNC：如果文件存在，而且是以写模式（O_WRONLY 或 O_RDWR）打开，文件长度会被截断为 0。
[*]O_APPEND：追加模式，写入操作时，文件指针会主动移动到文件末端，得当日记记录等追加写入的场景。
[*]非阻塞和同步控制：
[*]O_NONBLOCK：以非阻塞模式打开文件。对一些特殊文件（如设备文件）有效，得当需要立即返回结果的场景。
[*]O_SYNC：同步写入模式，确保数据立即写入磁盘。每次 write 操作都不会缓存到内存，而是直接刷新到存储设备，得当数据恒久性要求高的场景。
[*]O_DSYNC：数据同步，类似 O_SYNC，但只同步数据而不包括文件元数据（如最后修改时间）。
[*]O_RSYNC：同步读模式，和 O_SYNC 类似，但影响的是 read 操作。
我们需要选择符合的功能将它们进行|的操作，由于底层是用状态压缩来实现的，通过位运算（位掩码）来实现，使得每一个标记可以独立设置或清除，而不需要为每种组合单独存储。
在下面的写入操作我们只需要选择O_WRONLY|O_CREAT就可以了。
2.2 返回值（文件形貌符）
[*]成功时，open 返回一个文件形貌符（非负整数），用于后续的文件操作。
[*]失败时返回 -1，并设置 errno 来指示错误原因。
这里的返回值也很有说法，
文件形貌符（File Descriptor, FD）是操作系统分配的一个整数，用于表现每一个打开的文件或 I/O 资源。在 Unix 和类 Unix 系统（如 Linux）中，文件形貌符是历程和内核之间进行文件或资源操作的桥梁，几乎所有的 I/O 操作都是通过文件形貌符来完成的。
文件形貌符是一个非负整数，每个历程有一个文件形貌符表来管理文件形貌符。打开文件时，操作系统会分配一个文件形貌符，用于标识这个文件。该文件形貌符可以用于后续的读、写、关闭操作。文件形貌符不但用于文件，也可以表现其他 I/O 资源，如管道、网络套接字、设备文件等。
每个历程在启动时，通常有三个默认的文件形貌符，它们称为尺度文件形貌符：
[*]尺度输入（stdin）：文件形貌符为 0，用于从用户或输入源读取数据。
[*]尺度输出（stdout）：文件形貌符为 1，用于向终端或输出源输出数据。
[*]尺度错误（stderr）：文件形貌符为 2，用于向终端输出错误信息。
0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，表现器，表现器。
相识完这些后，我们就可以直接使用文件形貌符来直接向表现屏输出数据了。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
char buf;
ssize_t s = read(0,buf,sizeof(buf));//从键盘读入数据
if(s>0)
{
buf = 0;
write(1,buf,strlen(buf));
write(2,buf,strlen(buf));
}
return 0;
}
//运行结果
/**
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/FILETEST$ ./a.out
hello world
hello world
hello world
*/
从这段代码我们也可以更加清晰地认识到Linux下的统统皆文件。
一些底层知识：
文件形貌符是从0开始地小整数，当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相对应地数据结构来形貌目标文件，于是就有了file结构体来表现一个已经打开地文件对象。而历程执行open系统调用，必须让历程和文件关联起来。每一个历程都有一个指针*file，指向一张表file_struct该表最重要地部分包罗一个指针数组，每个元素都是一个指向文件地指针。本质上文件形貌符就是该数组地下标，所以只要拿着文件形貌符就可以找到对应地文件。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/f05e64c0a0bd4880b67c774eaff1a57f.png
2.2.1 文件形貌符的分配规则
先看代码：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
int fd = open("myfile",O_RDONLY);//只读模式打开
if(fd>0)
{
printf("%d\n",fd);
}
close(fd);
return 0;
}
//运行结果：
/*
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/FILETEST$ ./a.out
3
*/
结果是3。
那么当我们关闭0这个文件形貌符试试看呢?
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
close(0);//关闭文件描述符0
int fd = open("myfile",O_RDONLY);//只读模式打开
if(fd<0)
{
perror("open");
return 1;
}
printf("%d\n",fd);
close(fd);
return 0;
}
//打印结果：
/*
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/FILETEST$ ./a.out
0
*/
结果是0，你猜到了吗。
由此可见，文件形貌符的分配规则：在file_struct数组当中，找到当前没有直接使用的最小的一个下标，作为新的文件形貌符。
最后在来看看重定向
2.2.2 重定向
如今我们将标记输出1给关闭了，然后再打开一个文件再往内里写点东西，看看会发生什么。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
close(1);//关闭文件描述符1
int fd = open("myfile",O_WRONLY|O_CREAT,0644);//写模式打开
if(fd<0)
{
perror("open");
return 1;
}
printf("fd:%d\n",fd);
fflush(stdout);
close(fd);
return 0;
}
打开myfile发现，文件中存在fd:1。
也是就说，本该再表现屏中表现的内容被写进了myfile文件。我们把这种现象叫做重定向。常见的重定向>, >>, <
重定向的本质：
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/1e0c93c8d5b142c09e1c858d97315a93.png
3. write函数
write 函数是 Unix 和 Linux 系统中进行文件写入操作的系统调用，用于将数据从用户空间的缓冲区写入到文件或设备（例如文件、管道、网络套接字）中。write 是一种底层 I/O 操作，它绕过尺度 I/O 缓冲区，直接写入文件形貌符指向的目标，常用于处理系统资源的原始数据读写。
语法：
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数说明：
[*]fd：文件形貌符，表现要写入的目标文件或设备（例如 STDOUT_FILENO 表现尺度输出）。
[*]buf：缓冲区指针，指向要写入的数据。
[*]count：要写入的字节数，指定从 buf 中读取多少字节写入 fd。
返回值：
[*]成功时，返回实际写入的字节数（ssize_t 类型）。
[*]失败时，返回 -1，并设置 errno 变量来指示错误原因。
4. read函数
read 是 Unix 和 Linux 系统中的一个系统调用，用于从文件或其他输入资源（如管道、网络套接字等）中读取数据到用户提供的缓冲区中。与 write 相对应，read 直接从文件形貌符中获取数据，不经过尺度 I/O 缓冲区，得当低级别的 I/O 操作。
语法：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
参数说明：
[*]fd：文件形貌符，表现要读取的文件或输入资源（例如 STDIN_FILENO 表现尺度输入）。
[*]buf：缓冲区指针，指向读取到的数据将要存放的位置。
[*]count：盼望读取的字节数，即 buf 的巨细。
返回值：
[*]成功时，返回实际读取的字节数（ssize_t 类型）。
[*]若返回 0，表现读取到文件末端（EOF）。
[*]失败时，返回 -1，并设置 errno 来指示错误原因。
5. 总结
fopen、fclose、fread、fwrite这些都是C语言尺度库的函数，也就是库函数。
open、close、read、write都是系统提供的接口，也就是系统调用接口。
而这部分库函数会区调用系统接口。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/30c5bab850fb49fcbf5c0d3b0f34573e.png
可以认为，f*系列的函数，都是对系统的封装，方便二次开辟。
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