[操纵体系] 基础 IO：明白“文件”与 C 接口

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）：

1. // 假设 f1.txt 是一个普通文本文件
2. FILE *fp = fopen("f1.txt", "r");  // 以只读方式打开文件
3. if (fp == NULL) {
4.     perror("打开文件失败");
5.     exit(EXIT_FAILURE);
6. }
7. // 读取或处理文件...
8. fclose(fp);

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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。
  

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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：

1. FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

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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：

1. // hello.c —— 打开文件示例
2. #include <stdio.h>
3. #include <stdlib.h>
5. int main(void) {
6.     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
7.     if (fp == NULL) {
8.         perror("打开文件失败");
9.         exit(EXIT_FAILURE);
10.     }
11.     printf("文件打开成功，文件指针：%p\n", fp);
12.     fclose(fp);
13.     return 0;
14. }

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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：

1. fputs("Hello, Linux IO!\n", fp);

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或者使用 fprintf() 进行格式化输出：

1. fprintf(fp, "数字：%d，字符串：%s\n", 123, "abc");

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  示例代码：

1. // hello.c —— 写文件示例
2. #include <stdio.h>
3. #include <stdlib.h>
5. int main(void) {
6.     FILE *fp = fopen("hello.txt", "w+");
7.     if (fp == NULL) {
8.         perror("打开文件失败");
9.         exit(EXIT_FAILURE);
10.     }
12.     // 使用 fprintf 写入数据
13.     fprintf(fp, "Hello, Linux IO!\n");
14.     // 使用 fputs 写入字符串
15.     fputs("这是通过 fputs 写入的一行文字。\n", fp);
17.     fclose(fp);
18.     return 0;
19. }

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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。

1. [@VM-8-12-centos io]$ ps ajx | grep myProc
2. 506729 533463 533463 506729 pts/249 533463 R+ 1002 7:45 ./myProc
3. 536281 536542 536541 536281 pts/250 536541 R+ 1002 0:00 grep --
4. color=auto myProc
5. [@VM-8-12-centos io]$ ls /proc/533463 -l
6. total 0
7. ......
8. -r--r--r-- 1  0 Aug 26 17:01 cpuset
9. lrwxrwxrwx 1  0 Aug 26 16:53 cwd -> /home/ddd/io
10. -r-------- 1  0 Aug 26 17:01 environ
11. lrwxrwxrwx 1  0 Aug 26 16:53 exe -> /home/ddd/io/myProc
12. dr-x------ 2  0 Aug 26 16:54 fd

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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：

1. char buffer[256];
2. while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {
3.     printf("%s", buffer);
4. }

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  示例代码：

1. // hello.c —— 读文件示例
2. #include <stdio.h>
3. #include <stdlib.h>
5. int main(void) {
6.     FILE *fp = fopen("hello.txt", "r");
7.     if (fp == NULL) {
8.         perror("打开文件失败");
9.         exit(EXIT_FAILURE);
10.     }
12.     char buffer[256];
13.     while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {
14.         printf("%s", buffer);
15.     }
17.     fclose(fp);
18.     return 0;
19. }

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稍加改动即可模拟cat下令。

1. #include <stdio.h>
2. #include <string.h>
4. int main(int argc, char* argv[]) {
5.     // 检查命令行参数数量是否正确
6.     if (argc != 2) {
7.         printf("argv error!\n");
8.         return 1;
9.     }
11.     // 打开文件
12.     FILE *fp = fopen(argv[1], "r");
13.     if (!fp) {
14.         printf("fopen error!\n");
15.         return 2;
16.     }
18.     // 定义缓冲区
19.     char buf[1024];
21.     // 循环读取文件内容
22.     while (1) {
23.         int s = fread(buf, 1, sizeof(buf), fp);
24.         if (s > 0) {
25.             // 确保字符串以空字符结尾
26.             buf[s] = '\0';
27.             printf("%s", buf);
28.         }
29.         if (feof(fp)) {
30.             break;
31.         }
32.     }
34.     // 关闭文件
35.     fclose(fp);
36.     return 0;
37. }

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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

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()。

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）。

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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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