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🌹往期回顾🌹：【Linux】进程控制
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一、理解文件
文件类型
- 普通文件：包含用户数据，如文本文件、二进制可执行文件、图像文件、音频文件等。文本文件可以用文本编辑器打开查看和编辑，二进制文件则包含了机器可执行的指令或特定格式的数据。
- 目录文件：用于组织和管理其他文件和目录，类似于 Windows 系统中的文件夹。它包含了指向其他文件和目录的索引信息。
- 设备文件：在Linux中，硬件设备也被视为文件，分为字符设备文件和块设备文件。字符设备文件通常用于像串口、终端这样以字符流方式进行数据传输的设备；块设备文件用于如硬盘、U盘等以块为单位进行数据读写的设备。
- 链接文件：类似于 Windows系统中的快捷方式，分为硬链接和软链接（符号链接）。硬链接是同一个文件的多个名称，它们共享相同的 inode号；软链接则是指向另一个文件的特殊文件，有自己独立的 inode 号。
- 管道文件：主要用于进程间通信，允许两个或多个进程之间进行数据的传递和共享。
- 套接字文件：用于网络通信或本地进程间通信，是网络编程和一些进程间通信机制的重要组成部分。
狭义理解
- 文件在磁盘里。
- 磁盘是永久性存储介质，因此⽂件在磁盘上的存储是永久性的。
- 磁盘是外设（即是输出设备也是输入设备）
- 磁盘上的文件 本质是对文件的所有操作，都是对外设的输⼊和输出 简称 IO 。
广义理解
• Linux 下⼀切皆文件（键盘、显示器、网卡、磁盘…… 这些都是抽象化的过程）
文件操作的归类认知
• 对于 0KB 的空文件是占用磁盘空间的
• 文件是文件属性（元数据）和文件内容的集合（文件 = 属性（元数据）+ 内容）
• 所有的文件操作本质是文件内容操作和文件属性操作
系统角度
- 对文件的操作本质是进程对文件的操作
- 磁盘的管理者是操作系统
- 文件的读写本质不是通过 C 语⾔ / C++ 的库函数来操作的（这些库函数只是为用户和提供方便），而是通过文件相关的系统调用接口来实现的
二、C语言文件接口
打开文件
#include <stdio.h> int main() { FILE *fp = fopen("myfile", "w"); if(!fp) { printf("fopen error!\n"); } while(1); fclose(fp); return 0; }
写文件
int main() { FILE* fp=("myfile","w"); if(!fp) { printf("perror\n"); } const char* msg="gujidaxian" int count=5 while(count--) { fwrite(msg,strlen(msg),1,fp); } fclose(fp); return 0; }
读文件
#include <stdio.h> #include <string.h> int main() { // 以只读模式打开文件 "myfile" FILE *fp = fopen("myfile", "r"); if (!fp) { // 若文件打开失败，输出错误信息并返回 1 printf("fopen error!\n"); return 1; } // 定义一个长度为 1024 的字符数组用于存储从文件中读取的数据 char buf[1024]; const char *msg = "hello bit!\n"; while (1) { // 从文件中读取数据到 buf 数组，每次读取 strlen(msg) 个字节 ssize_t s = fread(buf, 1, strlen(msg), fp); if (s > 0) { // 在读取的数据末尾添加字符串结束符 buf[s] = '\0'; // 输出读取的数据 printf("%s", buf); } // 检查是否到达文件末尾，如果是则跳出循环 if (feof(fp)) { break; } } // 关闭文件 fclose(fp); return 0; }
实现简单cat命令:
#include <stdio.h> #include <string.h> int main(int argc, char* argv[]) { // 检查命令行参数数量是否为 2 if (argc != 2) { printf("argv error!\n"); return 1; } // 以只读模式打开命令行参数指定的文件 FILE *fp = fopen(argv[1], "r"); if (!fp) { printf("fopen error!\n"); return 2; } // 定义一个字符数组用于存储从文件中读取的数据 char buf[1024]; // 进入循环，持续从文件中读取数据 while (1) { // 从文件中读取数据到 buf 数组，每次最多读取 sizeof(buf) 个字节 int s = fread(buf, 1, sizeof(buf), fp); if (s > 0) { // 在读取的数据末尾添加字符串结束符 buf[s] = '\0'; // 输出读取到的数据 printf("%s", buf); } // 检查是否到达文件末尾，如果是则跳出循环 if (feof(fp)) { break; } } // 关闭文件 fclose(fp); return 0; }
C语言stdin & stdout & stderr
我们把信息输出到显示器，有几种方法
#include <stdio.h> #include <string.h> int main() { const char *msg = "hello fwrite\n"; fwrite(msg, strlen(msg), 1, stdout); printf("hello printf\n"); fprintf(stdout, "hello fprintf\n"); return 0; }
C会默认打开三个输入输出流，分别是stdin & stdout & stderr
这三个流的类型都是FILE*, fopen返回值类型，文件指针
#include <stdio.h> extern FILE *stdin; extern FILE *stdout; extern FILE *stderr;
stdin是标准输入，对应键盘文件。stdout是标准输出，对应显示器文件。stderr是标准错误，对应显示器文件。为什么这样设置，因为程序是做数据处理的。
打开文件的方式
当以w的方式打开文件的时候，也就是想向文件内写内容。文件会先被清空。
echo进行重定向就是用w的方式打开文件然后进行写入
第一次把aaaaa重定向进文件log.txt，然后第二次把bbbbbb重定向进文件log.txt,发现第一次重定向的内容被清空了。
当以a的方式打开文件的时候，也是向文件内写入内容。只不过这是追击内容，之前的内容不会被清空。
echo进行追加重定向是用a的方式打开文件，然后追加写入内容。
先把aaaaa重定向写入文件log.txt，然后第二次进行追加重定向把bbbbb以追加的方式写入文件log.txt。此时之前的内容不会被清空。
三、系统文件IO
上面聊的C语言的文件操作只是语言层上的打开方式。但是系统才是打开文件的最底层的方案。我们也可以以系统接口的方式访问文件。
系统接口
#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
写入文件
清空并写入
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> #include <unistd.h> int main() { umask(0); int fd=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666); if(fd<0) { perror("open"); return 1; } printf("fd: %d\n",fd); const char* msg="hello hhh"; int cnt=1; while(cnt--) { write(fd,msg,strlen(msg)); } close(fd); return 0; }
追加并写入
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> #include <unistd.h> int main() { umask(0); int fd=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666); if(fd<0) { perror("open"); return 1; } printf("fd: %d\n",fd); const char* msg="hello bbbb"; int cnt=1; while(cnt--) { write(fd,msg,strlen(msg)); } close(fd); return 0; }
注意上面的加入函数umask(0);就可以自己规范权限。
读文件
int main() { int fd = open("myfile", O_RDONLY); if(fd < 0) { perror("open"); return 1; } const char *msg = "hello bit!\n"; char buf[1024]; while(1) { ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg));//类⽐write if(s > 0) { printf("%s", buf); } else { break; } } close(fd); return 0; }
这里的接口都是系统调用，而上面的c语言的文件操作都是语言层面上的调用。其实语言层里面的调用里面都封装着系统级别的调用。
四、文件描述符
文件描述符是一个非负整数，它是 Linux 内核为了管理文件操作而给每个打开的文件或其他 I/O 资源（如管道、套接字等）分配的一个标识符。可以将其理解为一个指向内核中代表打开文件的数据结构的索引，通过这个索引，程序能够方便地对相应的文件或资源进行各种读写等操作。
在操作系统层面接口层面，系统只认文件描述符(fd)。所有根据前面所讲，语言层面肯定封装了文件fd。
int main() { printf("stdin: %d\n",stdin->_fileno); printf("stdout: %d\n",stdout->_fileno); printf("stderr: %d\n",stderr->_fileno); int fd1=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666); int fd2=open("log2.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666); int fd3=open("log3.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666); int fd4=open("log4.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666); if(fd1<0) exit(1); if(fd2<0) exit(1); if(fd3<0) exit(1); if(fd4<0) exit(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); }
看上面代码，普通进行系统层面的文件操作比如用系统接口进行读操作写操作等，文件描述符是从3开始的。但是语言层面的标准输入标准输出标准错误，是从0-2。(当然其他语言的也是这样)
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。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应文件。
文件描述符的分配规则
int main() { umask(0); int fd=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666); if(fd<0) { perror("open"); return 1; } printf("fd:%d\n",fd); close(fd); return 0; }
正常情况打开，一个文件。文件描述符从3开始。
关闭files_sructs数组0下标位置，发现打开文件描述符下标位置为0。
int main() { umask(0); close(0); int fd=open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC ,0666); if(fd<0) { perror("open"); return 1; } printf("fd:%d\n",fd); close(fd); return 0; }
通过上面示例发现，在files_struct数组中，找到当前没有使用的最小的一个位置的小标，作为新的文件描述符的位置。
重谈重定向
上面谈过，echo重定向本质是通过语言层面进行文件操作把内容写进文件。从上面也知道语言层面的接口都封装系统层面的调用。下面谈一谈系统层面是如何进行重定向的。
最小的没有被使用的fd，最为新的fd分配给用户。
当我们把fd下标为2，标准输出的位置关了，我们文件的内容的fd会自动分配到下标为2位置。
使用dup2系统调用
int main() { // 打开文件，如果文件不存在则创建，同时以读写模式打开 int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR); if (fd < 0) { perror("open"); return 1; } // 关闭标准输出文件描述符 close(1); // 将文件描述符 fd 复制到标准输出文件描述符（1） dup2(fd, 1); for (;;) { char buf[1024] = {0}; // 从标准输入读取数据到缓冲区 ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1); if (read_size < 0) { perror("read"); break; } // 输出读取到的内容 printf("%s", buf); // 刷新标准输出缓冲区 fflush(stdout); } return 0; }
标准错误
向标准输出和标准错误里打信息
标准输出和标准错误都是显示器文件，想把标准输出和标准错误的信息重定向一个文件。这样是不行的。可以发现两者在两个文件中
用下面这个指令进行重定向，重定向到了两个文件
用下面这个指令可以把两者重定向到一个文件
为什么存在一个标准错误呢？可以通过重定向能力把常规消息和错误消息进行分离。以方便后续用户进行操作好区分。
