【Linux-基础IO】C语言文件接口回顾 系统文件概念及接口

目录

一、C语言文件接口回顾

C语言基础知识

C++中文件操作示例

二、系统文件概念及接口

重定向基本理解的回顾

文件的基本概念

系统调用接口

open

read

write

close

lseek

什么是当前路径

 

一、C语言文件接口回顾

引言：我们并不理解文件！从语言角度（绝对不可能理解）。我们要进行文件操作，前提是我们的程序跑起来了。文件的打开和关闭，是CPU在执行我们的代码

C语言基础知识

几个函数：

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);`

fopen是C语言标准库函数，用于打开一个文件并返回一个文件指针以便进行读写操作。如果文件打开成功，它会返回一个指向 FILE 类型的指针，该指针后续可以用于其他文件操作函数。如果打开失败，则返回 NULL。

其中：

  • const char *path：这是一个字符串，表示要打开的文件的路径名。可以是相对路径或绝对路径。

  • const char *mode：这也是一个字符串，表示打开文件的模式，即如何使用文件

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

fread 函数是 C 标准库中的一个函数，用于从指定的流中读取数据到缓冲区中。该函数同样定义在 stdio.h 头文件中。fread 主要用于二进制输入操作。fread 函数返回成功读取的元素个数，这个数可能小于 nmemb，如果遇到错误或文件末尾。如果文件末尾在读取任何字节之前到达，fread 将返回 0。

其中：

  • ptr：指向内存块的指针，该内存块至少要有 size * nmemb 字节的大小。函数从流中读取数据到这个内存块中。

  • size：要读取的每个元素的大小，以字节为单位。

  • nmemb：要读取的元素个数，每个元素的大小为 size 字节。

  • stream：指向 FILE 对象的指针，该对象指定了输入流。

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

fwrite 函数是 C 标准库中的一个函数，用于将数据写入到指定的流中。这个函数也是定义在 stdio.h 头文件中。fwrite 主要用于执行二进制输出操作。fwrite 函数返回成功写入的元素个数，这个数可能小于 nmemb，如果遇到写入错误。如果成功写入 nmemb 个元素，则返回值等于 nmemb。

其中：

  • ptr：指向要写入数据的内存块的指针。

  • size：要写入的每个元素的大小，以字节为单位。

  • nmemb：要写入的元素个数，每个元素的大小为 size 字节。

  • stream：指向 FILE 对象的指针，该对象指定了输出流

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

fprintf 是 C 标准库中的一个函数，用于将格式化的数据写入到指定的流（通常是文件流）。这个函数与 printf 类似，但是 fprintf 允许你指定写入数据的流，而 printf 默认写入到标准输出（通常是控制台）。如果成功，fprintf 返回写入的字符数。如果发生错误，fprintf 返回一个负数。

其中

  • stream：指向 FILE 对象的指针，该对象标识了要写入数据的流。

  • format：指向一个以空字符结尾的字符串，该字符串包含格式规范，用于指定如何写入后续参数。

  • ...：可变数量的参数，它们将被格式化并写入到流中。

int fclose(FILE *stream);

fclose 是 C 标准库中的一个函数，用于关闭由 fopen、freopen 或其他文件打开函数创建的文件流。关闭文件是非常重要的，因为它会释放与文件流关联的所有内部缓冲区，并且确保所有写入的数据都已经被正确地刷新到磁盘上。

其中：

  • 如果文件成功关闭，fclose 返回 0。

  • 如果在关闭文件时发生错误，fclose 返回 EOF（通常定义为 -1）。

文件打开方式：

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几个例子：

【示例1】

int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt","w");if(fp == NULL){perror("fopen");return 1;}fprintf(fp, "helloworld, %d, %s, %lf\n", 10, "wuxu", 3.14);fclose(fp);return 0;
}

执行结果：

[wuxu@Nanyi lesson18]$ ls
makefile  mytest  test1.c
[wuxu@Nanyi lesson18]$ ./mytest
[wuxu@Nanyi lesson18]$ ls
log.txt  makefile  mytest  test1.c
[wuxu@Nanyi lesson18]$ cat log.t

可以发现，我们以写的方式打开log.txt，我们原先并没有log.txt，是“w”的方式，创建了一个log.txt 并向内格式化写入内容

如果我们修改一下 main函数里的格式化输出，再进行执行

将代码修改为

 fprintf(fp, "helloworld, %d, %s, %d\n", 10, "wuxu", 666);

699b7088fc6f425ab601a1e74e14c543.png

可以发现：原文件内容被内容完全替代，因此我们对于“w”有个结论

  1. 如果文件不存在，就在当前路径下，新建指定的文件

  2. 默认打开文件的时候，就会先把目标文件清空

如果我们想追加对文件进行写入就需要讲模式换为“a”模式

C++中文件操作示例

#include <iostream>
#include <string>
#include <fstream>#define FILENAME "log.txt"int main()
{std::ofstream out(FILENAME);if(!out.is_open()) return 1;std::string message = "hello C++\n";out.write(message.c_str(), message.size());out.close();return 0;
}

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二、系统文件概念及接口

重定向基本理解的回顾

我们第一次理解重定向是在 echo命令上理解的，echo 命令本身是向显示器进行输出

[wuxu@Nanyi lesson18]$ echo "hello I am echo"
hello I am echo

我们也可以使用echo命令，向指定文件进行写入 

9ed9aa3fbe114822b9cf5bc2719f0497.png

我们也可以使用echo命令，向文件进行追加写入，也就是追加重定向

ae950d47677c4aabb6704fcfdc93a1c7.png 

那么我们也就发现 > 相当于 "w" , >> 相当于 “a“，如果是的话，我们也可以使用 > 或 >> 进行创建文件

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所以我们也就发现：输出重定向一定是文件操作

文件的基本概念

当我们使用ls-l查看文件信息时，会显示文件的类型、权限、引用计数、所有者、所属组、大小、文件最新修改时间等信息，这些都是文件的属性

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由此我们可以知道：文件 = 内容+属性

 

文件被打开，需要先被加载到内存。由于内存空间有限，不可能将所有的文件全部打开，所以文件可以分为已被打开文件，和未打开文件。

打开文件：本质是进程打开文件。文件没有打开的时候，文件在磁盘中；

一个进程可以打开很多文件，一个系统中可以存在很多进程；所以很多情况下，在操作系统内部，一定存在大量被打开的文件，那么操作系统是如何对这些文件进行管理呢？--->**先描述，在组织

系统调用接口

文件是存在磁盘中的，由冯诺伊曼体系我们可知，磁盘是一个外设，外设是一个硬件。我们向文件中写入，本质是向硬件中写入；但是用户没有权利直接写入，由于操作系统是硬件的管理着，那我们就可以通过操作系统给我们提供的系统调用（OS不相信任何人）来访问文件

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下面是系统调用接口的函数，我们来一一介绍使用，看看与C/C++文件操作有什么共同点与不同点

open

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其中：

  • pathname：指向一个以空字符结尾的字符串，该字符串指定了要打开或创建的文件的路径名。

  • flags：指定文件的打开模式。这个参数是以下选项中的一个或多个通过按位或操作（|）组合起来的值：

    • O_RDONLY: 只读打开。

    • O_WRONLY: 只写打开。

    • O_RDWR: 读写打开。

    • O_CREAT: 如果文件不存在，则创建它。需要与 mode 参数一起使用。

    • O_EXCL: 与 O_CREAT 一起使用，确保调用 open 时创建文件。如果文件已存在，则返回错误。

    • O_TRUNC: 如果文件已存在且为写入或读写打开，则将其长度截断为 0。

    • O_APPEND: 追加模式。在每次写入时，数据会被添加到文件的末尾。

    • 其他标志请参考 open 的手册页。

  • mode：当创建新文件时，这个参数指定了文件的模式（权限）。它是一个八进制数，通常由 umask 的值与要求的权限按位取反后相与得到。常见的权限值包括：

    • S_IRUSR: 用户读权限。

    • S_IWUSR: 用户写权限。

    • S_IXUSR: 用户执行权限。

    • S_IRGRP, S_IWGRP, S_IXGRP: 分别对应组成员的读、写、执行权限。

    • S_IROTH, S_IWOTH, S_IXOTH: 分别对应其他用户的读、写、执行权限。

    • 也可以使用数字来表示权限

返回值：

  • 成功时，open 返回一个最小的非负整数，称为文件描述符，用于后续的读写操作。

  • 出错时，open 返回 -1，并设置 errno 来指示错误。

flag选项描述
O_RDONLY只读
O_WRONLY只写
O_CREAT不存在就创建
O_TRUNC清空文件
O_APPEND追加写入

这些选项都是大写，我们在C/C++中什么情况下用上大写？没错就是宏，这里的flag选项与宏并未区别，我们先自己用宏来创建一个传参示例

测试内容：

#include <stdio.h>
#define ONE   1      // 1 0000 0001
#define TWO   (1<<1) // 2 0000 0010
#define THREE (1<<2) // 4 0000 0100
#define FOUR  (1<<3) // 8 0000 1000void print(int flag)
{if(flag&ONE)printf("one\n"); //替换成其他功能if(flag&TWO)printf("two\n");if(flag&THREE)printf("three\n");if(flag&FOUR)printf("four\n");
}int main()
{print(ONE);printf("\n");print(TWO);printf("\n");print(ONE|TWO);printf("\n");print(ONE|TWO|THREE);printf("\n");print(ONE|FOUR);printf("\n");print(ONE|TWO|THREE|FOUR);printf("\n");return 0;
}

输出结果：

2e89f5311332447daccc36ddd96f02ac.png

因此我们发现可以定制宏，通过传入不同的宏，实现定制的不同功能。它的原理底层是位图；一个int类型包含32个比特位，如果我们让低位的 1 表示ONE，次低位的 1 表示 TWO......

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若此时要实现ONE、TWO、THREE，只需要对这三个数做或位运算ONE|TWO|THREE则会得到一个值为00000000 00000000 00000000 00011010的flags。将它传递给处理函数中，处理函数会将flag与ONE、TWO、THREE这三个数挨个做按位与，如果按位与出来的结果不为0，则表示该选项会被选择

而我们系统调用的flags也是一样的道理

接下来让我们用系统调用接口来操作文件

【示例】

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main(){//system callint fda = open("loga.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);printf("fda: %d\n", fda);int fdb = open("logb.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);printf("fdb: %d\n", fdb);int fdc = open("logc.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);printf("fdc: %d\n", fdc);int fdd = open("logd.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);printf("fdd: %d\n", fdd);return 0;
}

 输出结果：

c6ee621585c34c46b075227e41a4c7df.png

 

【问题1】我们定制的权限是666 ，为什么这里是 662？是umask的原因

PS：我们使用系统接口必须要指明权限，否则创建的文件权限是随机的

在 POSIX 兼容的操作系统中，umask 是一个系统调用，用于设置进程的文件模式创建掩码（file mode creation mask）。这个掩码定义了新创建文件的默认权限，通过从权限掩码中“掩蔽”掉一些权限位来限制新文件的权限。我们来查看一下系统的umask

13a7f1cdfa0440fa8f85a032edc63e26.png

接下来我们修改一下umask，看文件权限能不能达到我们想要的结果

在test2.c 加入umask(0)即可

测试结果：

9e83bce22bf845f194788ce4630dcc3c.png

 

【问题2】open系统调用函数返回的数字是什么？这个输出结果有什么含义？

open打开文件后会返回一个数字，这个数字被称为文件描述符，我们一会在下文详细讲解

read

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要从某个文件中读取内容时，第一个参数需要传入该文件的文件描述符，第二个参数需要传入接收文件内容的缓冲区首地址，第三个参数表示要从文件中读取多少字节的内容。

下面程序模拟实现了C语言fopen的r（只读）打开模式

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("./log.txt", O_RDONLY);char buffer[1024];read(fd, buffer, sizeof(buffer));printf("%s", buffer);return 0;
}

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write

write 是 POSIX 系统调用之一，用于将数据写入文件描述符指向的文件或设备。这个函数在 C 语言中被广泛使用，尤其是在 UNIX、Linux 和其他 POSIX 兼容的操作系统中。

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参数：

  • fd：要写入数据的文件描述符。这个文件描述符可以是 open 系统调用返回的，也可以是标准输入输出错误文件描述符（例如 STDOUT_FILENO 或 STDERR_FILENO）。

  • buf：指向要写入数据的缓冲区的指针。

  • count：要写入的字节数。

返回值：

  • 成功时，write 返回实际写入的字节数。

  • 出错时，write 返回 -1，并设置 errno 来指示错误。

 

下面程序模拟实现C语言fopen的w（只读）模式打开

#include <stdio.h>
#include <string.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 | O_TRUNC, 0666);char* msg = "Have a good day!\n";write(fd, msg, strlen(msg));return 0;
}

2ff3f8983c3747e8b6b38efa1073a742.png

下面程序模拟实现C语言fopen的a（追加）模式打开

#include <stdio.h>
#include <string.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 | O_APPEND, 0666);char* msg = "Have a good day!\n";write(fd, msg, strlen(msg));return 0;
}

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close

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传入文件描述符即可关闭对应文件，这里就不掩饰了

lseek

lseek 是 POSIX 系统调用之一，用于设置文件描述符 fd 指向的文件的偏移量。这个函数允许你查询或修改文件流的当前位置，这对于随机访问文件非常有用。

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参数：

  • fd：文件描述符，指向已经打开的文件。

  • offset：偏移量，根据 whence 的值，这个偏移量可以是绝对值，也可以是相对值。

  • whence：用于确定如何解释offset的值。它可以是以下三个常量之一：

    • SEEK_SET: 将偏移量设置为从文件开头算起的绝对位置。

    • SEEK_CUR: 将偏移量设置为相对于当前文件位置的相对位置。

    • SEEK_END: 将偏移量设置为相对于文件末尾的相对位置。

返回值：

  • 成功时，lseek 返回新的文件偏移量。

  • 出错时，lseek 返回 -1，并设置 errno 来指示错误。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("./log.txt", O_RDONLY | O_APPEND, 0666);char buffer[1024];read(fd, buffer, sizeof(buffer));printf("%s", buffer);//回到文件头再读一遍lseek(fd, 0, SEEK_SET);read(fd, buffer, sizeof(buffer));printf("%s", buffer);close(fd);return 0;
}

d277bc9b7d5f4feb806adfe0f8f20435.png

什么是当前路径

当我们没有指明文件路径，open一个文件时，则open将在当前路径下创建文件那为什么会这个样子呢？

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("log.txt", O_CREAT);close(fd);sleep(200);return 0;
}

当程序运行起来后，我们可以使用ps ajx | head -1 && ps ajx | grep mytest | grep -v grep 查看运行该程序的进程pid，进入/proc/进程pid目录，可以看到两个链接文件cwd和exe。其中，cwd是程序的工作路径，也就是我们常说的当前路径，而exe是可执行程序的保存位置。

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