Linux文件基础I/O

创始人

2024-06-01 11:37:03

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文件IO

文件的常识
基础IO
- 为什么要学习操作系统的文件操作
- C语言对于函数接口的使用
- 接口函数介绍
- 如何理解文件
文件描述符
- 重定向
- 更新给模拟实现的shell增加重定向功能
- 为什么linux下一切皆文件？

文件的常识

1.空文件也要在磁盘占据空间
2.文件 = 内容 + 属性
3.文件操作 = 对内容 + 对属性
4.标定一个文件，必须使用文件路径 + 文件名（唯一性）
5.如果没有指明对应的文件路径，默认是在当前路径进行访问
6.当我们把fopen,fclose,fread,fwrite等接口写完之后，代码编译之后，形成二进制可执行程序之后，但是没运行，文件对应的操作有没有被执行呢？没有 —— 对文件操作的本质是进程对文件的操作。
7.一个文件如果没被打开，可以直接进行文件访问吗？？不能！一个文件要被访问，就必须先被打开！（被打开的时候是用户调用端口，操作系统负责操控硬件，所以这个操作是用户进程和操作系统共同完成的）
8.磁盘的文件不是所有的都被打开，是一部分被打开，一部分关闭。
总结：文件操作的本质是进程和被打开文件之间的关系。

基础IO

为什么要学习操作系统的文件操作

语言中，C，C++，java，python，php都有文件操作的接口，可是每个接口都不一样。
但是文件是在磁盘中，磁盘是硬件，那么想访问文件就不能绕过操作系统，要使用操作系统提供的接口。
但是操作系统的接口是不会变的，语言层面的操作文件也是通过对操作系统的这些接口进行封装而已。
所以学习底层操作系统能让我们在以后学习其他语言上手更快。

C语言对于函数接口的使用

在这里插入图片描述

w打开只写文件，若文件存在则文件长度清为0，即该文件内容会消失。若文件不存在则建立该文件。
w+打开可读写文件，若文件存在则文件长度清为零，即该文件内容会消失。若文件不存在则建立该文件。
wb只写方式打开或新建一个二进制文件，只允许写数据。
wb+读写方式打开或建立一个二进制文件，允许读和写。
r打开只读文件，该文件必须存在，否则报错。
r+打开可读写的文件，该文件必须存在，否则报错。
rb+读写方式打开一个二进制文件，只允许读写数据。
a以附加的方式打开只写文件。
a+以附加方式打开可读写的文件。
ab+读写打开一个二进制文件，允许读或在文件末追加数据。加入b字符用来告诉函数库打开的文件为二进制文件，而非纯文字文件。

接口函数介绍

首先注意一个细节，文件的起始掩码是666，创建出文件是这样得出权限的：666 & ~numask。
在这里插入图片描述
先说第一个参数是包含路径的文件名（没有默认就是当前路径），第二个参数是你要进行什么操作，是一个C传标记为,靠比特位得到信息的参数，第三个参数是输入权限，起始文件的权限就是0666.。
正确返回值是文件描述符（其实就是一个小整数，下面会说明由来），错误是-1。
注意：在使用open时，如果不存在该文件，一定要注意第二个参数要传什么参数，第三个参数是必须要传的，不然就是错误文件。
这个函数可以传三个参数的原因就是为了处理不存在的文件。
这里先说一下C传标记位。
假如有八个比特位，每个比特位变成1，其他均为0，那么就有8种：
在这里插入图片描述
那么到时候就可以这样用：

#include
#define ONE (1 << 0)
#define TWO (1 << 1)
#define FOUR (1 << 2)
#define EIGHT (1 << 3)
void print(int x)
{if(x&ONE)printf("ONE\n");if(x&TWO)printf("TWO\n");if(x&FOUR)printf("FOUR\n");if(x&EIGHT)printf("EIGHT\n");
}
int main()
{print(ONE);//打印ONEprint(ONE|TWO);//打印ONE,TWOprint(ONE|TWO|FOUR)//打印ONE,TWO,FOURprint(ONE|TWO|FOUR|EIGHT)//打印ONE,TWO,FOUR,EIGHTreturn 0;
}

open函数的第二个参数也是同样的道理：
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
O_TRUNC : 清空文件中的内容
在这里插入图片描述

这里就创建了一个文件，权限是对应666.
这里注意一下，umask设置的是当前进程的，跟shell的没关系。

这是系统写入函数：

第一参数是你要写入的是文件描述符，第二参数是我们要写入缓冲区的位置，第三个是你要放进去的大小，返回值后面再说。
第二个参数是是void*，这是因为文本可以纯文本和二进制读取，但是在操作系统看来都是二进制，这个分类其实是语言给的分类。
在这里插入图片描述

经过上面的举例其实就会发现C语言调用的fopen其实就是在传参给open上面的四个参数而已。

这是从文件中读取内容的函数.
第一个参数是文件描述符，第二个参数是从特定文件读取内容到缓冲区，第三个参数是读取多少个，实际上输入的500，如果缓冲区只有50，那么它只会读取50。
第二个参数也是void*，也是没有类型概念的。

在这里插入图片描述

如何理解文件

文件操作的本质：进程和被打开文件的关系。
首先进程是可以打开多个文件的，系统中一定会有大量被打开的文件，那么如何管理这些文件呢？其实就像管理进程一样，先描述，再组织，先来看这一段代码：
在这里插入图片描述

这里发现文件是有顺序的，那么为什么不像数组一样从0开始呢？
因为有三个标准输出流的存在：

stdin ——>键盘
stdout ——>显示器
stderr ——>显示器

这三个就是排在前面顺序的！
并且，C语言的FILE指针是一个结构体，因为在系统层面只认识文件描述符，所以里面必定有一个字段是文件描述符。
在这里插入图片描述

所以是从0开始的，但是前三个被占用了。
那么数字为什么是从0开始的呢？

磁盘中被进程打开到内存中然后是通过struct file这个类型来描述放到内存中，然后进程的PCB中里面有一个struct file_struct *files这个指针指向一个struct file*array[]的数组来管理这些文件。
总结：文件描述的本质就是数组的下标！

文件描述符

重定向

上面我们知道了0，1，2都被占用了，那么是否能够将我们的文件fd变成0，1，2呢
在这里插入图片描述

这样是可以的，也就是说，fd的分配规则是从0开始，一个新文件要打开的时候会先去扫面当前进程中的文件表，找到一个最小的没有被使用的文件描述符。

这里我们把1关闭试试：

什么都没有打印出来，这是因为1是标准输入，但是就算那一行关闭了最后也打开了，为什么没有打印出来呢？
在这里插入图片描述
这是因为，1的位置里面已经是log.txt文件的地址了，所以到最后都没有打印出来。
那么，也就是说只要是让输入的输入到stdout中是不是就可以打印出来结果了呢？

这里依然什么都没有，这时因为stdout其实就是文件表中1的位置，但是这里1的位置已经换成了log.txt，那么是不是说明会将我们要打印到屏幕上的内容变成打印到log.txt文件的内容呢？
在这里插入图片描述
这里什么都没有，但是确实是这样的，只不过是缓冲区的问题，这里我们强制刷新一下：

本来应该往显示器里打印的内容却打印到了文件里，这个特性就叫做重定向。

> 输出重定向
>>追加重定向
<输入重定向

重定向的本质就是，上层fd不变，在内核中更改fd对应的struct file*的地址。
但是像刚才举例，关闭对应的文件然后再进行写入，这种重定向的方式太搓，有一个函数是重定向用的：
在这里插入图片描述
看dup2，两个参数就是文件表的下标，也就是fd，这个函数是把文件表内的两个内容拷贝。
注意，拷贝是覆盖，也就是说最后只能由一个内容！
第一个参数你你要写的内容，第二个参数是你要写的位置。

在这里插入图片描述
这里fd就是3了，因为是将fd的内容拷贝到1中，所以0，1，2的位置还是有内容的，fd分到的还是3。
同时我们想在屏幕上打印也不可以了，因为1也指向了fd指向的文件。
如果想要追加内容，那么打开文件的时候第二个参数记的变换。
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更新给模拟实现的shell增加重定向功能

重定向是让fd中的内容进行改变，所以在执行命令之前，要先分割命令的时候，分成两个部分，从">“,”>>“,”<“中开始分割。
前面的还是按照原来的程序执行，后面的去处理重定向内容，那么怎么进行分割呢？我们可以将.”>“,”>>“,”<"，变成\0。
重定向先设置四个宏，分别代表，目前没有重定向，>,>>,<.
在设置两个全局变量，一个是说明什么类型的重定向，另一个是重定向的文件是哪个。
在这里插入图片描述
这个宏是跳过字符串空格的意思。

这个就是函数就是分割了命令串，是否是重定向，怎么重定向，文件是哪一个。

然后就是进行重定向了，首先要清楚，因为命令都是通过子进程去完成的，所以重定向也是通过子进程去完成的。
在这里插入图片描述
那么，为什么子进程操作不影响父进程的呢？

首先，进程拥有独立性，文件表也会拷贝父进程一份，但是文件是不会被拷贝的，也就是说子进程重定向是更改子进程的文件表，并不会影响父进程的。
并且，程序替换的时候也不会影响重定向打开的文件，因为程序替换替换的是程序的代码，而内存中的PCB，文件表，文件，都属于内核数据结构，就像进程的替换不会影响PCB内容的变化，也不会影响pid，ppid一样。

在这里插入图片描述

这样就完成了。

为什么linux下一切皆文件？

比如一些硬件，他们有自己的内核数据结构，他们每个都有自己的读写方法（键盘没有写功能，那就指向空），每种硬件读写方式都是不同的。
那么既然是不同的数据结构，怎么进行管理呢？
这时候就会定义一个结构体，里面记录硬件的数据，也能调用对应硬件的读写接口。
在这里插入图片描述
file是链接起来的，先描述，再组织。
所以操作系统看来，只需要调用file就可以了，所以说linux下皆文件。
那么，上面说到重定向的时候，为什么我们子进程退出时关闭了一个文件，按理来说父进程也会关闭文件，但是并没有，因为有一个叫做引用计数：
在结构体中有一个专门计数有多少个指针指向这个位置，如果这个数为0，文件就会关闭，如果不为0，即便是子进程关闭文件也就等于这个数减一而已。
因为用户要关闭文件和打开文件，只是我们去告诉操作系统我们要这么去做而已，剩下的就让操作系统实现具体内容。