LinuxC——1.文件讀寫

1.❤️文件IO

從CPU到文件是Output的一個過程，從文件到CPU是一個Input的過程，這個過程是以CPU為點的

2.🧡系統函數

• open：打開文件
• close：關閉文件
• read：讀數據
• write：寫數據
• lseek：移動文件中讀寫位置
• dup：文件書寫位置重定位函數，重定位可以寫入另一個文件
• fcntl：文件描述符設置
• ioctl：一個特殊函數

3.💛文件讀寫的簡單例子

• open函數：通過fd，找到塊設備文件
  • 文件系統是一個程序代碼，組織塊設備所有文件
  • 文件系統屬於OS一部分
  • 找到文件后，調用塊設備驅動，打開文件
    • 打開成功，返回非負操作符
    • 打開失敗，返回-1
• write函數：利用打開成功返回的，向文件里面寫數據
• lseek函數：利用文件描述符，將文件讀寫位置調整到文件相應位置
  • why設置文件頭
  • write的時候，文件讀寫位置已經到了末尾
• read函數：從文件頭開始，讀取指定長度的數據到buf中

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
        int fd = 0;

        fd = open("./file.txt", O_RDWR);
        if(-1 == fd) {
                printf("open fail\n");
                return 1;
        }else {
                printf("open ok\n");
        }

        char buf[] = "Steve Yu, today is nice";
        write(fd, (void *)buf, strlen(buf));

        lseek(fd, SEEK_SET, 0);

        char buf2[30] = {0};
        read(fd, buf2, sizeof(buf));

        puts(buf2);
  
  			close(fd);
        return 0;
}

4.💚文件打開后，OS做了什么？

1. 記錄打開文件信息

   1. 程序運行后是一個進程，OS會創建一個task_struct的結構體，記錄運行的各種信息
   2. open將文件打開后，在task_struct會創建一些數據結構，用來創建當前進程的打開文件的信息，后面所有的都依賴這些信息

2. open函數會申請一段內存空間（內核緩存）

   1. 內核緩存是在OS的一個空間，比如char buf[100]，就開辟了緩存
   2. 由os開辟的叫內核緩存

3. open為啥要開辟內存緩存空間？

   內存讀寫 > 磁盤讀寫，我們會省時間

4. open僅僅開辟了內存緩存空間，並沒有數據，只有讀寫數據的時候

   先將數據讀到內核緩存中，之后下層會讓內存緩存和磁盤數據進行交換

5. 讀寫的時候，數據的流動？

   硬件 -> 驅動緩存 -> 內核緩存 -> 應用程序中的數組

（僅掌握open函數，其余函數已經過時）

5.💙指定宏

1. O_RDONLY：只讀
2. O_WRONLY：只寫
3. O_RDWR：可讀可寫

以上三個不可以用 | 進行宏運算，而可以與以下進行宏運算

1. O_TRUNC：打開進行清空
2. O_APEND：打開后寫數據追加
3. O_NONBLOCK和O_AYNC：非阻塞，同步

flag參數之O_CREAT、O_EXCL

1. O_CREAT：新建一個文件
2. O_EXCL：O_EXCL和O_CREAT同時被指定，打開文件，如果文件存在，就報錯

可以使用O_RDWR|O_CREAT進行組合，那么可以不存在進行創建，存在不打開的功能

6.💜文件描述符

1. 文件描述符是什么？

文件描述符指向打開的文件，后面read/write/close等操作，都是基於文件描述符進行操作

2. 文件描述符池

每個程序運行起來后，就是一個進程，系統給每個進程分配0_{1023的描述符的范圍，返回的文件描述符，是在0}1023的某個數字

3. 為啥第一個打開的文件，open返回的是3？

open返回的文件描述符是規則的：

• open返回文件描述符池中，返回當前沒用的最小的一個

• 進程運行起來，0/1/2會默認使用，最小沒用的是3

4. fopen文件指針

fopen是C庫標准io函數

fopen成功后，FILE*的文件指針，打開了文件

fopen成功后，返回的是FILE*文件指針，指向打開的文件

5. 對於Linux C庫，fopen對open進行二次封裝

7.❤️errno和perror

Linux中，如果像上述中，打開失敗，那么就直接失敗，遇到比較難排查的錯誤原因，難以查處具體錯誤

1. 什么是errno？

errno我們查看man 3 errno中，可以看到，一系列錯誤宏定義，我們include "errno.h"即可

printf("%d: open error", errno);

這樣即可發現17:open error，打開錯誤

2.具體錯誤

我們僅僅知道錯誤號，不知道具體錯誤，怎么辦呢？

• perror函數：我們通過man 3 perror，可以查看到錯誤號的具體使用

  perror可以打印的錯誤號以及具體錯誤

perror("open fail");

我們可以知道，控制台打印：open fail: File exists

3.使用man 2 open進行查看ERRORS下錯誤號

比如EACCES，不允許訪問

我們因為記不住錯誤號，也記不住宏定義，所以，我們有了perror

8.🧡close、write、read

1. close函數

close(fd):不主動關閉，應用也會自動關閉fd，但是我們得進行手動關閉

2. close函數做了啥

• open打開的時候會在task struct中創建結構體空間，如果文件關閉，那么該結構體空間被釋放

  類似free(空間地址)

• malloc和free是給C調用的庫看書，Linux在釋放的時候，有自己的釋放函數

好習慣必須關閉，否則我們在生產環境，容易內存溢出

9.💛task struct結構體

1. 結構體在存在在運行的進程中，在task struct是程序在運行的時候進行開辟

2. 進程運行結束，linux系統會調用自己的系統函數，進行釋放task struct

10.💚文件描述符

有關0/1/2文件描述符

• stdin，文件描述符為0，0代表鍵盤，實現鍵盤輸入

鍵盤->鍵盤驅動緩存->內核緩存->應用緩存

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
        int ret = 0;
        char buf[30] = {0};
        ret = read(0, (void *)buf, 30);
        if(-1 == ret) {
                perror("read fail");
                return -1;
        }
        puts(buf);
        return 0;
}

scanf底層調用read(0, buf, size)這個，這樣就能兼容不同操作系統

• close(0)，scanf還能工作不？

答案是不可以，用perror打印，會得到bad description的

• stdout，文件描述符為1，使用1，則可以進行顯示器顯示

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main() {
        int fd = 1, ret = 0;

        char buf[] = "steve\n";
        write(fd, buf, sizeof(buf));

        close(fd);
        return 0;
}

假設我們write(1, &a, sizeof(a))， a是一個int值，那么會打印一個(char)a進行

• close(1)

printf不能工作

• stderr, 文件描述符是2，是標准出錯輸出

使用2文件描述符也能進行打印

1打印普通信息，2打印報錯信息

• close(2)

perror是通過2進行打印，如果close(2)，則不能進行perror

• 宏定義

0：STDIN_FILENO

1：STDOUT_FILENO

2：STDERR_FILENO

11.💙lseek

lseek用來調整讀寫的位置，調用成功返回偏移量，調用失敗返回-1

我們可以通過lseek獲取文件大小

1.fd：打開文件

2.whence：粗定位

SEEK_SET：起始位置

SEEK_CUR：當前讀寫位置

SEEK_END：文件末尾位置

3.offset：微調

進行偏移，正數向前移動，負數向后

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
        int fd = 0, ret = 0;

        fd = open("./file.txt", O_RDONLY);

        if(-1 == fd) {
                perror("file open failed");
                exit(-1);
        }

        ret = lseek(fd, 0, SEEK_END);

        printf("文件大小%d\n", ret);
        return 0;
}

4.使用od -c filename，可以查看以字符進行顯示字符

12.💜進程表和文件描述表

進程表：task_struct

• 這個結構體成員多達300個
• 每個進程運行起來后，linux系統會開辟task_struct 結構體
• task_struct專門用於進程運行中，涉及進程相關信息

13.❤️共享操作文件

• 同一個進程共享相同文件

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
void print_error(char* str) {
        perror(str);
        exit(-1);
}
int main() {
        int fd1, fd2;

        fd1 = open("./file.txt", O_RDWR);

        if(-1 == fd1) print_error("open fail");

        fd2 = open("./file.txt", O_RDWR);

        if(-1 == fd2) print_error("open fail");
  
  			// 寫入操作
        return 0;
}

存在相互覆蓋的關系

解決方案：使用O_APPEND進行追加

• 多個進程共享相同文件

gcc share_op_file.c -o a
gcc share_op_file.c -o b
./a
./b

那么會出現覆蓋情況

解決方案：也使用O_APPEND進行追加

14.🧡dup和dup2

1. int dup(int fd)

• 在unistd.h中

• dup用來復制文件描述符，得到一個新的文件描述符，指向原來的文件，指向最小沒用的那一個

fd2 = dup(fd1)

2. int dup2(int oldfd, int newfd)

• 在unistd.h中
• dup2指定一個文件描述符，用來復制文件描述符，得到一個新的文件描述符，如果已經打開，則關閉后再次打開

fd2 = (fd1, 4)

3. dup、dup2的意義

實現文件共享操作，不使用APPEND也不會出現文件覆蓋。使用dup或dup2的時候，永遠只有一個文件表。

15.💛實現文件重定位

步驟：

1. 打開文件fd

2. close(1)

3. 進行復制fd到1

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
        int fd1;
        fd1 = open("data.txt", O_RDWR|O_CREAT);
        close(1);
        dup(fd1);
        printf("Hello World");
        return 0;
}

當我們文件描述符寫死了，那么可以進行文件重定位來進行，linux底層的重定位>是使用dup/dup2作為底層的支持

16.fcntl函數

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

fcntl是文件控制函數(file control)

• fd：指向打開文件

• cmd：控制命令

  • F_DUPFD
    • 模擬DUP
  • F_GETFL、F_SETFL
    • 獲取設置文件狀態標注，比如open沒有指定O_APPEND，可以使用fcntl進行補設
  • F_GETFD、F_SETFD（文件描述符）
  • F_GETOWN、F_SETOWN（OWN）
  • F_GETLK、F_SETLK、F_SETLKW（加鎖）

  先掌握前兩個F_DUPFD和F_GETFL、F_SETFL

模擬DUP：

fcntl(fd, F_DUPFD, 0);// 第三個參數沒有，用0表示

模擬DUP2：

fcntl(fd, F_DUPFD, 1);// 模擬DUP2，進行用1

設置

fcntl(fd, F_SETFL, O_RDWR|O_APPEND); // 修改打開時的Flag，返回新設置的標志

保留原標志，加新標志

flag = fcntl(fd, F_GETFL); // 獲取
fcntl(fd, F_SETFL, flag|O_APPEND); // 疊加