19 文件接口

文件概念

文件指的是文件内容+属性，对文件的操作无外乎就是对内容或者属性的操作

为什么平时不用文件接口

我们运行程序访问文件，本质是进程在访问文件，向硬件写入内容，只有操作系统有这个权限。普通用户想写入内容呢？所以操作系统提供了文件类的系统调用，为什么我们没有接触过

一个是因为比较难，c语言这些对接口做了封装，为了更好的使用，这也导致了不同的语言有不同的文件访问接口，但是都是对系统接口的封装。这样的os文件接口只有一套，因为os只有一个

另一个是方便跨平台，每个os都有不同的接口，一旦使用了系统接口编写代码，就无法在其他平台运行，不具备跨平台性。各类语言把平台的代码都实现一遍，条件编译，动态裁剪，这样到不同的平台都可以运行

一切皆文件（感性）

显示器也是硬件，向显示器打印也是一种写入，和磁盘写入文件没有本质区别
曾经理解的文件的操作就是read和write。而显示器的printf是一种write，键盘的scanf是一种read，站在内存的角度，都是input和output
在这里插入图片描述

什么叫做文件？
站在系统的角度，能够被input读取，或者能够output写出的设备叫做文件
狭义的文件：普通的磁盘文件
广义的文件：显示器，键盘，网卡，声卡，显卡，磁盘，几乎所有外设，都可以被称为文件

fopen函数

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权限说明

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r+和w+都为可读可写，区别为文件不在会不会创建文件
w写的方式每次都会清空文件内容，a会在原有内容后面追加

当前路径

一个w权限打开文件的程序，文件会创建在哪里

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main()
{FILE* fd = fopen("log.txt", "w+");if (fd == NULL){perror("fopen");return 0;}fclose(fd);return 0;
}

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log文件创建在了代码源文件的地方，但当把test程序放在上级目录，又会生成在上级目录里。也就是会和程序在同一个目录吗？

将程序改为死循环，进程里查找这个程序，用id找到进程目录
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exe代表可执行程序在磁盘的路径
cwd是进程的当前工作路径

当一个进程启动的时候，会记录这两个路径。进程知道程序的路径，在cwd后面加上需要创建的文件，就是文件创建的路径

c语言函数

在之前学过的写文件函数中，有三个，用这些函数向log文件里写入内容

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, …);
int fputs(const char *s, FILE *stream);

int main()
{FILE* fd = fopen("log.txt", "w+");if (fd == NULL){perror("fopen");return 0;}char* str1 = "hello fwrite\n";fwrite(str1, strlen(str1), 1, fd);char* str2 = "hello fprintf\n";fprintf(fd, "%s", str2);char* str3 = "hello fputs\n";fputs(str3, fd);\fclose(fd);return 0;
}

c语言字符串规定最后必须是\0，上面的strlen需要加1保存\0吗？
不需要，\0是c语言的规定，写入文件后，文件不需要遵守，只保存有效数据，读的时候也只读有效数据

在这里插入图片描述

将三个写入注释掉，只用w方式打开文件看看
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文件什么内容都没有输出，w权限打开文件先清空原内容，才会写入。情况文件的功能就可以这样，w权限打开直接关闭

当打开权限改为a后，不会情况内容，会往后面追加
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实现cat命令

利用main传入参数，作为打开的文件，然后用r权限读取内容打印输出

int main(int argc, char* argv[])
{if (argc != 2){printf("参数过少\n");return 0;}FILE* fd = fopen(argv[1], "r");if (fd == NULL){perror("fopen");return 0;}//按行读char line[64];while (fgets(line, sizeof(line),fd) != NULL)  //fgets,string,自动加\0{// printf("%s", line);fprintf(stdout, "%s", line);}fclose(fd);return 0;
}

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fopen 以w方式打开，默认先情况文件
fopen 以a方式打开，追加，不断向文件最后新增内容

上面的fprintf传入的stdout是标准输出流，将内容打印在显示器上，一个进程默认会打开三个流，标准输入，输出和错误，键盘和显示器都是硬件，是怎么通过FILE*写入到硬件上的

stdin
stdout
stderr

系统接口

open

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
pathname: 要打开或创建的目标文件
flags: 打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行“或”运算，构成flags。
参数:O_RDONLY: 只读打开O_WRONLY: 只写打开O_RDWR : 读，写打开这三个常量，必须指定一个且只能指定一个O_CREAT : 若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明新文件的访问权限O_APPEND: 追加写
返回值：成功：新打开的文件描述符失败：-1

这些宏其实都是一个个标志位，可以打开查看

vim /usr/include/asm-generic/fcntl.h

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如何给函数传标志位

上面的全大写的参数就是宏，open函数控制打开方式的参数只有一个int，这一个标志位int就可以实现各种功能的选择。怎么样用宏控制函数的不同功能？

#define ONE 0x1
#define TWO 0x2
#define THREE 0x4
void show(int flag)
{if (flag & ONE){printf("ONE\n");}if (flag & TWO){printf("TWO\n");}if (flag & THREE){printf("THREE\n");}
}
int main()
{show(ONE);show(TWO);show(ONE | TWO);show(ONE | TWO | THREE);return 0;
}

定义了三个宏,二进制分别为只有每一位有1，show函数通过和每个标志位&判断，可以得到有没有这个参数。传入的时候想传多个参数或以下宏参数,这样就可以只用一个int传入多个标志参数，实现不同功能
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返回值

为了研究open的返回值是什么意思，我们像开始一样写一个简单的打开文件,然后输出返回值
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报错没有这个文件。之前的fopen没有文件会自动创建，这里的系统接口并不会。在应用层看到的一个简单的动作，在系统接口层面甚至os层面，可能需要很多动作才能完成

参数只有一个O_CREAT,文件不存在会创建，所以加上该参数
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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT);if (fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd = %d", fd);return 0;
}

文件是创建成功了，可是发现权限是随机的。这时候就需要用open函数第二个形式，加入权限的参数。第一个形式一般用来读取文件
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s，表示set UID或set GID。位于user或group权限组的第三位置。如果在user权限组中设置了s位，则当文件被执行时，该文件是以文件所有者UID而不是用户UID 执行程序。如果在group权限组中设置了s位，当文件被执行时，该文件是以文件所有者GID而不是用户GID执行程序。

int fd = open(“log.txt”, O_WRONLY|O_CREAT, 0666); //rw- rw- rw-

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发现权限还是和设置的不一样，这时因为有默认的umask默认掩码的存在，可以用函数设置掩码
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在打开文件前先设置uamsk，设为0
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返回值是3，打开成功，小于0才是失败。那么012去哪了，为什么是3

先看看打开后怎么关闭

上面的 fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数（libc）。
而， open close read write lseek 都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口

close

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write

在这里插入图片描述

往打开的文件里写入一个字符串

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{umask(0);int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}char* str = "hello write\n";write(fd, str, strlen(str));printf("fd = %d", fd);close(fd);return 0;
}

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再写入aa看看结果
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并不像w的权限一样会清空写入，而是从开始位置覆盖
有一个选项可以清空内容
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加入选项后就会清空内容
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a的权限追加实际上是把情况换为APPEND
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read

在这里插入图片描述
返回值是实际读到的字符串个数
修改代码为从文件读取内容，read读取后不会自动添加\0，需要自己添加

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{umask(0);int fd = open("log.txt", O_RDONLY, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}// char* str = "aa\n";char buff[64];memset(buff, '\0', sizeof(buff));  //read不会加\0// write(fd, str, strlen(str));read(fd, buff ,sizeof(buff));printf("%s\n", buff);printf("fd = %d\n", fd);close(fd);return 0;
}

在这里插入图片描述

open的返回值

认识返回值之前，回顾一下操作系统的图
在这里插入图片描述

文件描述符fd

创建方式打开四个文件，看看它们的返回值

int main()
{umask(0);int fd1 = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);int fd2 = open("log1.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);  int fd3 = open("log2.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);  int fd4 = open("log3.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);  if (fd1 < 0){perror("open");return 1;}printf("fd1 = %d\n", fd1);printf("fd2 = %d\n", fd2);printf("fd3 = %d\n", fd3);printf("fd4 = %d\n", fd4); close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);return 0;
}

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返回值从3开始，依次增加。既然这样，那么0，1,2这三个去哪了。前面我们说过，进程会默认打开三个文件，stdin，stdout，stderr，类型是FILE*，这三个刚好对应这里的0,1,2
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怎么证明上面的说法，可以用两次输出到标准输出的函数对比

int main()
{fprintf(stdout, "%s", "hello fprintf\n");write(1, "hello write\n", strlen("hello write") + 1);return 0;
}

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1也实现了输出到stdout相同的结果，所以三个标准文件刚好对应了前三个数

文件描述符就是从0开始的小整数，当打开文件时，操作系统在内存中创建相应的数据结构描述文件，有了file结构体，表示一个已经打开的文件。进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files，指向一张表file_STRUCT，该表最重要的部分就是包含一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针。所以本质上，文件描述符就是该数组的下标，拿到文件描述符，就能找到对应的文件

FILE*

fopen的返回值是FILE*，，是一个结构体，库函数内部一定调用了系统调用，系统角度只认fd，不认FILE，所以FILE内部一定对fd进行了封装

int main()
{printf("%d\n",stdin->_fileno);printf("%d\n", stdout->_fileno);printf("%d\n", stderr->_fileno);return 0;
}

在这里插入图片描述

打印出了stdin,stdout,stderr的三个值,正好是对应的三个文件标识符

fd是什么

进程要访问文件，必须先打开文件，一个进程可以打开多个文件，一般而言，进程：打开的文件都是1：n的。文件要被访问，就要加载到内存中，进如果多个进程都打开自己的文件呢？系统中就会存在大量被打开的文件，os要把这些文件管理起来，需要先描述，再组织。内核中构建了file的文件结构，包含了文件的属性和下一个文件的地址

在这里插入图片描述

用双链表将所有的文件组织了起来，那么怎么管理和访问呢？
进程的PCB结构里面保存文件的数组下标，所有文件结构的地址保存在一个数组中，open打开一个文件后先创建这个文件结构，在数组里找一个没有用的下标写入，然后返回下标，fd在内核中本质就是数组下标，进程的PCB保存了指针，指向了这个文件数组
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文件fd结构

在这里插入图片描述
PCB里保存了files的指针，指向的结构体里保存了一个fd_array数组，类型是file的数组，这个file就保存了文件的所有属性。所以fd的本质就是fd_array的下标，通过fd就可以索引到进程的每个文件

在这里插入图片描述

对于一个文件的操作，系统内部其实是做了很多工作才找到了对应的文件

fd分配规则

关闭fd为0的文件，然后打开创建一个文件，输出fd看看是多少

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{close(0);int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);printf("%d\n", fd);return 0;
}

在这里插入图片描述

关闭后分配的fd是0
创建文件时，每次都在文件下标数组里遍历，从0开始，找到没有用的返回，所以关掉0后返回了0

重定向

如果我们关闭1的文件，然后创建一个文件，再往标准输出打印内容呢？

int main()
{close(1);int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);printf("%d\n", fd);printf("%d\n", fd);printf("%d\n", fd);fprintf(stdout, "%d\n", 33);fwrite("hello\n",6, 1, stdout);return 0;
}

在这里插入图片描述

当打开文件的下标返回了1后，本来往标准输出打印的东西都打印到了文件里，这个现象就叫做重定向

进程会默认打开3个文件，再次打开文件时会在file_struct里遍历，找到没有使用的下标填入这个文件的地址，因为关闭了1下标，所以就将地址填入了1下标。linux下一切皆文件，无论是键盘还是显示器，调用库函数，向stdout打印，并不关心stdout里面是什么，只知道里面封装了文件标识符的值是1，write也只是向1里面的文件打印，所以本应该显示到屏幕里的内容却打印到了文件里

在这里插入图片描述

事实上重定向并不是这样先关闭再打开写入实现的，只是利用了fd分配的规则实现了功能相同的重定向

dup2系统调用

函数原型

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

函数描述
在这里插入图片描述

newfd作为oldfd的拷贝，意思就是newfd会和oldfd的内容一样，用old拷贝new

这里面有oldfd和newfd，意思就是替换fd里面的内容，假设文件下面是3，想把输出重定向到3里，哪个是old，哪个是new？只需要想清楚1里面的要和3里面的一样才可以重定向，所以1就是new，3就是old

重写一下前面的重定向功能

int main(int argc, char* argv[])
{int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 0;}dup2(fd, 1);// printf("hello dup2\n");fprintf(stdout, "%s\n", "hello dup2");//close(fd);return 0;
}

将内容重定向输入到log.txt文件中

虚拟文件系统

虚拟文件系统(VFS)是由Sun microsystems公司在定义网络文件系统(NFS)时创造的。它是一种用于网络环境的分布式文件系统，是允许和操作系统使用不同的文件系统实现的接口。

再进一步理解一切皆文件，这时linux设计的哲学，体现在操作系统的软件设计层面
linux是用c语言写的，如何用c语言实现面向对象，甚至运行时多态

我们都知道类有成员属性和方法，struct可以保存属性，那怎么保存方法。可以利用函数指针来指针一个个功能函数
在这里插入图片描述

在驱动层面，底层不同的 硬件都是外设。对应不同的操作方法，每一个设备的核心访问函数，都可以是read，write，也就是I/O。所有的设备都有自己的read和write，但是，代码的实现一定是不一样的。文件结构里只需要保存函数指针就可以指向不同设备的功能，这就是Os和驱动的耦合

在这里插入图片描述

在linux的文件结构里，有一个结构体指针，指向的结构里面保存很多功能函数的函数指针，用来指向和调用不同的文件功能。这就是一切皆文件的设计和管理模式

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