Linux-笔记---系统文件I/O

1. open函数和close函数

#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);#include <unistd.h>
int close(int fd);

open函数是一个用于打开或创建文件的系统调用，C语言的fopen函数就是对该函数的封装。

pathname：要打开或创建的文件的路径名(相对路径或绝对路径)。
flags：控制文件打开模式的标志，如只读、只写、读写、创建等。
mode：当创建新文件时，指定文件的权限。这个参数是可选的，仅当在flags中设置了O_CREAT标志时使用。

close函数对应的自然就是fclose函数，将open函数的返回值作为参数传入即可关闭文件，就不过多解释了，重要的是open函数的使用。

1.1 flag参数

该参数是一个整型值，通过一系列的宏来传递参数，常用的有：

O_RDONLY：只读模式打开。
O_WRONLY：只写模式打开。
O_RDWR：读写模式打开。
O_CREAT：如果文件不存在，则创建它。使用这个选项时，需要提供第三个参数mode，指定新文件的权限。
O_EXCL：与O_CREAT一起使用时，如果文件已存在，则返回错误。这用于测试文件是否存在。
O_TRUNC：如果文件已存在且为普通文件且以只写/读写方式打开，则其长度被截断为0。
O_APPEND：写入时将数据追加到文件末尾。

flags本质上是一个位图，而这些宏本质上都是只有一个比特位为1的整型值。

这样的设计方式，使得我们可以利用flags同时传递多条信息，例如：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("test.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC);close(fd);return 0;
}// open函数内部判定某个flag是否被选用的原理如下
if(flags & O_CREAT)
{// ...    
}
if(flags & O_WRONLY)
{// ...
}
if(flags & O_TRUNC)
// ...

1.2 mode参数

mode参数指定新创建文件的权限（只有当flags参数中包含O_CREAT时使用），通常与umask的设置相结合来确定最终权限。

一些常见的权限包括：

S_IRUSR、S_IWUSR、S_IXUSR：分别表示文件所有者的读、写、执行权限。
S_IRGRP、S_IWGRP、S_IXGRP：分别表示用户组的读、写、执行权限。
S_IROTH、S_IWOTH、S_IXOTH：分别表示其他用户的读、写、执行权限。

传参的原理和方式与flags相同，但是使用上面的这些宏来传参太过麻烦了，这些宏的数值实际上是有规律的，分别与权限的八进制表示相对应。

不清楚权限的八进制表示方式的小伙伴可以参考我的这篇博文：Linux笔记---Linux权限理解_linxu用户权限的笔记-CSDN博客

例如，假设"test.txt"在当前目录下不存在，我们希望在创建该文件时将文件的读写权限全部放开：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("test.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);close(fd);// 等价于// FILE* fp = fopen("test.txt", "w");// fclose(fp);return 0;
}

open函数新建文件时，如果我们没有传入mode，那么新文件的权限就会显示为乱码：

1.3 文件描述符

open函数的返回值是对应文件的文件描述符，即当前程序中已打开的文件在管理文件指针的数组(file* fd_array[])中的下标，从0开始依次递增。

但由于程序在启动时会默认打开stdin、stdout、stderr，所以我们自己打开的文件的文件描述符是从3开始递增的。

分配下标的规则也很简单：当有文件被打开时，依次遍历fd_array数组，找到第一个为空的下标。

假如我们将1号文件关闭，再另打开一个文件，那么这个文件就会占据1号下标，同时被各种库函数当作标准输出：

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{close(1);int fd = open("test.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);if(fd == 1)printf("喜欢stdout的小朋友你们好啊！我是test.txt，stdout已经被我干掉了！\n");fprintf(stdout, "fd: %d\n", fd);return 0;
}

可以看到，printf函数将内容输出到了test.txt而不是标准输出。

2. write函数和read函数

2.1 write函数

write函数用于向文件描述符中写入数据。

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

fd：文件描述符，表示要写入的文件、管道、套接字等。
buf：指向要写入数据的缓冲区的指针。
count：要写入的数据的字节数。

write函数的返回值为实际写入的字节数，如果发生错误则返回 -1，并设置errno来指示错误原因。

2.2 read函数

read函数用于从文件描述符中读取数据。

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

fd：文件描述符，代表了需要读取的文件或设备。
buf：一个指向用户分配的缓冲区的指针，read函数将把读取到的数据写入该缓冲区。
count：需要读取的字节数，表示最多读取count字节数据。

read函数的返回值为实际读取到的字节数，如果到达文件末尾则返回0，如果发生错误则返回 -1，并设置errno来指示错误原因。

2.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd;char buffer[1024];// 打开文件fd = open("test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}// 写入数据const char *data = "Hello, World!";ssize_t bytes_written = write(fd, data, strlen(data));if (bytes_written == -1) {perror("write");close(fd);return 1;}// 移动文件指针到文件开头lseek(fd, 0, SEEK_SET);// 读取数据ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));if (bytes_read == -1) {perror("read");close(fd);return 1;}// 输出读取的数据buffer[bytes_read] = '\0';printf("Read: %s\n", buffer);// 关闭文件close(fd);return 0;
}

首先使用open函数以读写方式打开一个文件，如果文件不存在则创建它。然后使用write函数向文件中写入数据，接着使用lseek函数将文件指针移动到文件开头，再使用read函数从文件中读取数据，最后关闭文件。

3. 重定向

我们在命令行当中可以使用">"、">>"、"<"来进行重定向，即将一个程序的结果输出到文件中，或者从一个文件中读取程序的输入。

重定向的类型

[>]输出重定向：将本来应该输出到标准输出（终端屏幕）的数据重定向到一个文件中。
[<]输入重定向：将本来应该从标准输入（键盘）读取的数据重定向到一个文件中。
[>>]追加重定向：将数据追加到一个文件的末尾，而不是覆盖文件的内容。

那么，重定向的本质是什么呢？

还记得我们在文件描述符那里举得例子吗？这就是重定向的本质，即修改文件描述符所指向的内容，也是我们在代码层面进行重定向的方式之一。

但是，利用下标分配的机制来进行重定向未免有点繁琐，而且不够精确，可读性，可维护性都较差。

在代码层面，我们常用的重定向的方式是使用dup2系统调用。

dup2函数

int dup2(int oldfd, int newfd);

它的作用是将oldfd所指的文件描述符复制到newfd，并且返回newfd。

如果newfd已经打开，则先关闭newfd，再进行复制。该函数成功时返回新的文件描述符，失败时返回 -1，并设置相应的错误码。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);dup2(fd, 1);printf("喜欢stdout的小朋友你们好啊！我是test.txt，stdout已经被我干掉了，这条消息不会写到标准输出啦！\n");return 0;
}