【Linux】19.基础IO（1）

文章目录

  • 1. 基础IO
    • 1. 文件
    • 2. 回顾C文件接口
      • 2.1 hello.c写文件
      • 2.2 hello.c读文件
      • 2.3 接口介绍
    • 3. open函数返回值
    • 3.1 文件描述符fd
    • 3.2 文件描述符的分配规则
      • 3.2.1 代码1
      • 3.2.2 代码2
      • 3.2.3 重定向底层原理代码示例
      • 3.2.4 使用 dup2 系统调用
    • 3.3 缓冲区刷新问题
    • 3.4 FILE

1. 基础IO

1. 文件

共识原理：

  1. 文件=内容+属性（文件被打开，必须先被加载到内存）

  2. 文件分为打开的文件和没打开的文件

  3. 打开的文件是谁打开的？

    是进程打开的。

  4. 没打开的文件：我们最关注什么？在哪里存放呢？

    在磁盘存放。

    没有被存放的文件非常多，文件如何被分门别类的放置好？我们要快速的进行增删改查，快速找到文件。

文件被打开，必须先被加载到内存

进程：打开的文件 = 1：n

操作系统内部一定存在大量的被打开的文件。

操作系统要不要管理这些被打开的文件呢？

在内核中，一个被打开的文件都必须有自己的文件打开对象，包含文件的很多属性。struct XXX（文件属性：struct XXX *next）;

2. 回顾C文件接口

2.1 hello.c写文件

#include <stdio.h>
#include <string.h> 
int main() {FILE *fp = fopen("myfile", "w");if(!fp){printf("fopen error!\n");} const char *msg = "hello bit!\n";int count = 5;while(count--){fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp);} fclose(fp); return 0; 
}

2.2 hello.c读文件

#include <stdio.h>
#include <string.h> 
int main() {FILE *fp = fopen("myfile", "r");if(!fp){printf("fopen error!\n");} char buf[1024];const char *msg = "hello bit!\n";while(1){//注意返回值和参数，此处有坑，仔细查看man手册关于该函数的说明ssize_t s = fread(buf, 1, strlen(msg), fp);if(s > 0){buf[s] = 0;printf("%s", buf);}if(feof(fp)){break;}}fclose(fp);return 0;
}

当前路径是进程的当前路径cwd，如果我更改了当前进程的cwd，就可以把文件新建到其他目录。

w：写入之前，都会对文件进行清空处理。

w/a：都是写入，w清空并从头写，a在文件结尾，追加写。

如果我们想要向显示器打印：

C语言程序默认在启动的时候，会打开3个标准输入输出流（文件）

stdin：键盘文件

stdout：显示器文件

stderr：显示器文件

文件实际上是在磁盘上的，磁盘是外部设备，访问磁盘文件实际上是访问硬件。

几乎所有的库只要访问硬件设备，必须要封装系统调用。

2.3 接口介绍

open

man 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
mode: 设置文件的访问权限(仅在创建文件时使用)

实例代码：

// 只读方式打开文件
int fd = open("file.txt", O_RDONLY);// 创建新文件,可读写
int fd = open("newfile.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);

3. open函数返回值

  • 在认识返回值之前，先来认识一下两个概念: 系统调用 和 库函数。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。

  • 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

所以，可以认为，f#系列的函数，都是对系统调用的封装，方便二次开发。

3.1 文件描述符fd

通过对open函数的学习，我们知道了文件描述符就是一个小整数

0 & 1 & 2

Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0， 标准输出1， 标准错误2.

0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器

所以输入输出还可以采用如下方式：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main()
{char buf[1024];         // 定义一个字符数组，用于存储从标准输入读取的数据,缓冲区大小为1024字节ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf)); // 调用read函数从文件描述符0（标准输入）读取数据// 读取的数据存储到buf中，最多读取sizeof(buf)字节,返回值为实际读取的字节数，类型为ssize_t（带符号的size_t）// 如果发生错误，返回-1；如果到达文件末尾，返回0if(s > 0){ // 检查read函数是否成功读取到数据,如果s > 0，表示成功读取了s字节的数据buf[s] = 0; // 在读取到的数据末尾添加一个空字符（'\0'），将其转换为C字符串,这确保了后续使用字符串处理函数时的安全性write(1, buf, strlen(buf)); // 调用write函数将buf中的数据写入文件描述符1（标准输出）// 写入的数据长度为strlen(buf)，即不包含末尾的空字符,返回值为实际写入的字节数write(2, buf, strlen(buf)); // 调用write函数将buf中的数据写入文件描述符2（标准错误）// 同样写入strlen(buf)字节的数据,这意味着程序会将输入的数据同时输出到标准输出和标准错误}return 0; 
}

f3b3273a3736d1fdf7e8bfe3b923618e

而现在知道，文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行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files_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，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。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件

3.2 文件描述符的分配规则

3.2.1 代码1

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("myfile", O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);close(fd);return 0;
}

输出发现是 fd: 3

3.2.2 代码2

关闭0或者2，再看

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{close(0);//close(2);int fd = open("myfile", O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);close(fd);return 0;
}

发现是结果是： fd: 0 或者 fd 2 可见，文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。

3.2.3 重定向底层原理代码示例

代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>#define filename "log.txt" // 定义文件名常量int main(){close(1);  // 关闭标准输出文件描述符(1)// 以创建、只写、清空方式打开文件,权限设置为666int fd = open(filename, O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, 0666);if(fd < 0){  // 打开文件失败则报错perror("open");return 1;}const char *msg = "hello linux\n";  // 定义要写入的字符串int cnt = 5;  // 循环次数// 循环写入5次字符串到文件while(cnt){// 由于前面关闭了标准输出,此时文件描述符1会被重定向到新打开的文件write(1, msg, strlen(msg));  cnt--;}close(fd);  // 关闭文件描述符return 0;
}

运行结果：

ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson19$ ll
total 36
drwxrwxr-x  2 ydk_108 ydk_108  4096 Jan 22 16:41 ./
drwxrwxr-x 15 ydk_108 ydk_108  4096 Jan 22 16:39 ../
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108     0 Jan 22 16:39 log.txt
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108    64 Jan 22 16:40 makefile
-rwxrwxr-x  1 ydk_108 ydk_108 16872 Jan 22 16:41 mytest*
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108   881 Jan 22 16:41 mytest.c
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson19$ ./mytest
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson19$ cat log.txt
hello linux
hello linux
hello linux
hello linux
hello linux
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson19$

本来向显示器写入的文件，被写入到了文件里面，这个叫做输出重定向。

  1. 文件描述符基础知识：

  • Linux系统中，每个进程启动时默认打开3个文件描述符：

    • 0：标准输入(stdin)

    • 1：标准输出(stdout)

    • 2：标准错误(stderr)

  1. 程序主要步骤：

    close(1);  // 关闭标准输出
    • 首先关闭标准输出(文件描述符1)
    • 这会使文件描述符1空闲出来
    int fd = open(filename, O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, 0666);
    • 打开文件时使用的标志说明：
      • O_CREAT：如果文件不存在则创建
      • O_WRONLY：以只写方式打开
      • O_TRUNC：如果文件存在则清空内容
      • 0666：设置文件权限（读写权限）
    • 由于前面关闭了文件描述符1，新打开的文件会使用最小可用的文件描述符，也就是1

  2. 写入操作：

    write(1, msg, strlen(msg));
    • 虽然代码中写的是向文件描述符1写入数据
    • 但因为文件描述符1已经被重定向到了log.txt文件
    • 所以实际上是在向log.txt文件写入数据
    • 循环5次，每次写入"hello linux\n"

  3. 程序执行效果：

    • 会在当前目录创建log.txt文件
    • 文件中会包含5行"hello linux"
    • 如果之前存在同名文件，内容会被清空后重写

一开始没有添加close(1);：

cd690612ed87baae28c8cf7799b3f39c

后来添加了close(1);后：

45cbb14cfd9babca789739ea2899c5ce

我们也可以和之前的结合起来理解：

a1c1e63da4d5a48fb263cafe24159678

3.2.4 使用 dup2 系统调用

函数原型：

int dup2(int oldfd, int newfd);

代码解释：

  1. 函数原型：
int dup2(int oldfd, int newfd);
  1. 参数含义：
  • oldfd：旧的文件描述符（源）
  • newfd：新的文件描述符（目标）
  1. 功能说明：
  • 将 newfd 指向 oldfd 所指向的文件
  • 如果 newfd 已经打开，会先关闭它
  • 操作完成后，oldfd 和 newfd 指向同一个文件
  1. 返回值：
  • 成功：返回新的文件描述符（即newfd的值）
  • 失败：返回-1，并设置errno
  1. 使用示例：

dup2(fd, 0);

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main() {// 准备一个包含输入数据的文件const char *input_file = "input.txt";int fd = open(input_file, O_RDONLY);if(fd < 0) {perror("open");return 1;}// 将标准输入重定向到文件dup2(fd, 0);close(fd);  // 关闭原文件描述符// 现在从标准输入读取实际上是从文件读取char buf[256];scanf("%s", buf);  // 会从input.txt读取内容// input.txt的内容如果是：hello world// 则buf中只会读取到"hello",因为遇到空格就停止了读取printf("读取到的内容: %s\n", buf);return 0;
}

dup2(fd, 1);

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main() {// 打开一个文件int fd = open("output.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);// 将标准输出(1)重定向到fd指向的文件dup2(fd, 1);// 现在printf的输出会写入到output.txtprintf("Hello World\n");close(fd);return 0;
}

dup2(fd, 2);

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main() {// 打开错误日志文件const char *error_file = "error.log";int fd = open(error_file, O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);if(fd < 0) {perror("open");return 1;}// 将标准错误重定向到文件dup2(fd, 2);close(fd);// 以下错误信息会写入到error.log文件中fprintf(stderr, "这是一个错误信息\n");perror("测试错误");return 0;
}

3.3 缓冲区刷新问题

在C语言的I/O系统中，有三种缓冲模式：

  1. 无缓冲（_IONBF）：
  • 数据直接发送到目的地，不进行缓冲
  • 每次读写都直接与设备或文件交互
  • 典型例子：stderr（标准错误）
  • 适用场景：错误信息输出等需要立即显示的场合

示例：

#include <stdio.h>int main() {// 设置stdout为无缓冲setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);printf("这句话会立即输出");return 0;
}
  1. 行缓冲（_IOLBF）：
  • 遇到换行符’\n’时才进行实际的I/O操作
  • 缓冲区满时也会进行I/O操作
  • 典型例子：stdout（标准输出，当连接到终端时）
  • 适用场景：终端输出等交互场合

示例：

#include <stdio.h>int main() {printf("这句话不会立即输出");  // 不会立即显示printf("这句话会立即输出\n");  // 因为有\n，会立即显示fflush(stdout);  // 强制刷新缓冲区return 0;
}
  1. 全缓冲（_IOFBF）：
  • 缓冲区满时才进行实际的I/O操作
  • 典型例子：文件操作
  • 适用场景：文件读写等对实时性要求不高的场合

示例：

#include <stdio.h>int main() {// 打开文件设置为全缓冲FILE *fp = fopen("test.txt", "w");if(fp == NULL) return 1;// 设置缓冲区大小为1024字节char buf[1024];setvbuf(fp, buf, _IOFBF, sizeof(buf));fprintf(fp, "这些数据会先放在缓冲区");fflush(fp);  // 强制写入文件fclose(fp);return 0;
}

行缓冲的缓冲区不是系统级别的缓冲区，行缓冲的缓冲区通常是由C语言标准库提供的。

显示器的文件刷新方案是行刷新，所以在printf执行完遇到\n的时候将数据进行刷新。

用户刷新的本质，就是将数据通过1+write写入到内核中。

缓冲区刷新问题：

  1. 无缓冲：直接刷新
  2. 行缓冲：不刷新，直到遇到\n
  3. 全缓冲：缓冲区满了才刷新

进程退出的时候，缓冲区也会刷新。

为什么要有这个缓冲区呢？

  1. 解决用户的效率问题
  2. 配合格式化

3.4 FILE

因为IO相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过fd访问的。

所以C库当中的FILE结构体内部，必定封装了fd。

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main()
{const char *msg0="hello printf\n";const char *msg1="hello fwrite\n";const char *msg2="hello write\n";printf("%s", msg0);fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);write(1, msg2, strlen(msg2));fork();return 0;
}

运行出结果：

hello printf
hello fwrite
hello write

但如果对进程实现输出重定向呢？ ./hello > file ， 我们发现结果变成了：

hello write
hello printf
hello fwrite
hello printf
hello fwrite

我们发现 printf 和 fwrite （库函数）都输出了2次，而 write 只输出了一次（系统调用）。为什么呢？

肯定和fork有关！

一般C库函数写入文件时是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲。

printf和fwrite是C库函数，它们使用FILE结构体的缓冲区，当发生重定向到普通文件时，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。

fork()时会复制父进程的内存空间，包括FILE结构体的缓冲区

此时缓冲区中还存有printf和fwrite写入但未刷新的数据

而我们放在缓冲区中的数据，就不会被立即刷新，甚至fork之后

父子进程各自都继承了这份缓冲区数据

但是进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中。

当进程结束时，都会刷新各自的缓冲区，所以printf和fwrite的内容出现两次

write 没有变化，说明没有所谓的缓冲。

为什么write只出现一次：

  • write是系统调用，在fork()之前就已经直接写入文件
  • 没有经过缓冲区，所以不存在缓冲区复制的问题
  • 父子进程退出时也不会产生重复写入

综上： printf fwrite 库函数会自带缓冲区，而 write 系统调用没有带缓冲区。另外，我们这里所说的缓冲区，都是用户级缓冲区。其实为了提升整机性能，OS也会提供相关内核级缓冲区，不过不再我们讨论范围之内。 那这个缓冲区谁提供呢？ printf fwrite 是库函数， write 是系统调用，库函数在系统调用的“上层”， 是对系统调用的“封装”，但是 write 没有缓冲区，而 printf fwrite 有，足以说明，该缓冲区是二次加上的，又因为是C，所以由C标准库提供。

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从零到上线&#xff1a;Node.js 项目的完整部署流程&#xff08;包含 Docker 和 CI/CD&#xff09; 目录 项目初始化&#xff1a;构建一个简单的 Node.js 应用设置 Docker 环境&#xff1a;容器化你的应用配置 CI/CD&#xff1a;自动化构建与部署上线前的最后检查&#xff1a;…
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