linux应用——文件IO和标准IO

我们都知道，linux下一切皆文件的概念，那么具体的运行机制是如何的呢，为什么通过操作文件即可操作对应的硬件，而具体的过程如下：

Linux 通过 VFS（虚拟文件系统）将硬件设备抽象为文件接口。当用户通过文件描述符（fd）发起系统调用时，内核通过 fd 找到对应的struct file和inode，从 inode 中提取设备号，并在内核驱动表中找到已注册的struct file_operations。随后，内核调用该结构体中对应的函数（如.read/.write），由该函数通过驱动配置操作硬件控制器进行数据收发。硬件本身的初始化由驱动加载或open时完成。

因为有这么一整套完整的运行机制，所以内核就只需向外暴露一个文件的接口供给用户使用就可以，那么我们接下来就具体说一说对应的文件的操作。

一.文件IO

1.介绍

IO自如其名 指input输入和output输出

文件IO：是操作系统内核直接提供的、基于“文件描述符（fd）”的、无用户态缓冲区的底层输入输出接口，在Linux下通常指POSIX(可移植操作系统接口)标准的系统调用

他是直接基于文件描述符（fd）的接口，是用户能触及内核的最短路径（无用户态缓存），所以实时性会很强，我们在需要高实时性和更底层的操作时会用到很多，比如网络编程。

他有几个特点

• 不提供缓冲机制，每次读写操作都引起系统调用
• 核心概念是文件描述符（fd）
• 访问各种类型文件
• Linux下,标准IO基于文件IO实现

2.文件描述符（fd）

文件描述符：文件描述符是一个非负整数（如 3, 4, 5...），它是操作系统内核为了高效管理已被打开的文件，而分配给进程的一个索引号。

每一个打开的文件都对应一个文件描述符，文件IO就是通过这个描述符完成的

文件描述符是从0开分配的，依次递增

0, 1, 2表示标准输入，标准输出，错误

3.文件打卡与关闭

下面我们来深入接触一下系统提供的文件IO的函数接口

#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags);

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

第一个参数pathname是文件的路径名称

第二个参数flags是指对文件的操作类型，比如只读，只写等

第三个参数是对文件的权限管理（只有在新建文件时有效）

这里插入一下，在linux中通过 ll 命令我们可以查看文件的详细信息，如下

-rw-rw-r--1 kickpi kickpi 0 Jul 31 19:37 test.txt

我们可以看到对于test.txt文件的第一列-rw-rw-r--有此文件的类型，权限信息等，

-rw-：这几个从左到右分别是指文件类型，和用户组（user）权限，r：读取，w：写入 ，最后一个是执行权限（-就是没有执行权限，x就是有执行权限）。

rw-：这几个是所属组（Group）权限，可读可写不可执行

r--：这几个是其他用户权限

我们经常会看到给文件赋予权限的命令chmod 666 test.txt就是改变这几个参数，666对应用户组，所属组合其他用户组。至于数字，比如说用户组rw-就是按二进制来算，-是0，w是010对应2，r是100对应4 ，所以这个数就是0+2+4=6.其他同理。

好了，接着我们回归整体，介绍文件IO的操作

详细说一说第二个参数的flags使用，使用多个参数可以用 | 符号结合

关闭文件的函数

#include <unistd.h>

int close(int fd);

参数fd是文件描述符。成功时返回0，错误时返回-1。

下面给出示例代码：

// 示例代码：使用文件IO打开、创建、关闭文件 #include <stdio.h> // 标准输入输出头文件 #include <unistd.h> // POSIX操作系统API头文件，包含close函数 #include <errno.h> // 错误号定义头文件 #include <fcntl.h> // 文件控制选项头文件，包含open函数和标志 int main() { // 打开（或创建）文件"./test.txt"，以读写模式，如果文件不存在则创建，权限为0666 int fd = open("./test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666); // 检查文件描述符是否有效（open失败返回-1） if (fd == -1) { // 打印错误信息 printf("%s", strerror(errno)); return -1; // 返回错误代码 } // 打印成功打开的文件描述符值 printf("fd = %d\n", fd); // 关闭文件描述符，释放资源 close(fd); return 0; // 程序正常退出 }

输出结果如下
fd=3

4.文件的写入，读取等

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count);

这是文件的写入，其中buf是写入数据的缓存区，count是写入数据的大小

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

这是文件的读取，其中buf是接受数据的缓存区，count是读取数据大小，count要小于buf。其次是读取的时候要留一位给换行符。

读取和写入都设计要一个概念就是文件偏移量后移，就是指无论你写入数据还是读取数据，都会把指向文件内容的位置移动到最后一个处理的字符那里，所以要使用文件定位函数

#include <unistd.h>

off_t lseek(int fd, off_t offset, intt whence);

第三个参数whence是锁定开始移动的位置，第二个参数offset是移动多少字节，这个函数可以帮助我们调整目前文件内容所在的位置。下面是第三个参数的具体值和含义

看代码

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <errno.h>

#include <fcntl.h>

int main(){

int fd = open("./test.txt",O_RDWR|O_CREAT,0666);

char buf[12] = {0};

if(fd==-1)

{

printf("%s",strerror(errno));

return -1;

}

if(write(fd,"hello world",sizeof("hello world"))<0){

printf("%s",strerror(errno));

return -1;

}

lseek(fd, 0, SEEK_SET);

int ret = read(fd,buf,sizeof(buf));

if(ret<=0){

printf("%s",strerror(errno));

return -1;

}

printf("fd=%d\n",fd);

printf("buf=%s\n",buf);

close(fd);

return 0;

}

输出

$ make run
fd=3
buf=hello world

这就是完整的打开，写入，调整位置，读取，关闭文件的流程

了解这些就差不多了，还有一些其他的函数有特定的功能，我放在文章最后的链接里，可以自行查看

二.标准IO

标准IO和文件IO是有区别的，他是基于文件IO用ANSI C标准进行定义的，加入了用户缓存区这一环节，正是有这个缓存机制，减少了系统的调用环节，能实现更高的效率，c语言中的stdio.h就是其标准库。

标准IO的操作是用一个FILE结构体来存放文件信息的，他会将信息先存入用户态缓存区，到达一定的数据量后再推送出去，这样的操作就像流操作，所以标准IO又被称为 流 。如下FILE结构体的定义：

#ifndef _FILE_DEFINED

struct _iobuf {

char *_ptr;

int _cnt;

char *_base;

int _flag;

int _file;

int _charbuf;

int _bufsiz;

char *_tmpfname;

};

typedef struct _iobuf FILE;

下面我们说一说关于多出来的这个缓存区

缓冲区不是虚无缥缈的概念，它就是 C 库（glibc）为每个FILE *流在用户态内存（堆上）分配的一块连续的字符数组（比如 8192 字节）。

当使用标准IO的写入函数fwrite时，会先将写入的数据存入缓存区，达到一定条件时，才会调用系统IO函数来进行系统调度，这时候有几种机制，有几个指针

• _IO_write_base：指向缓冲区的起始地址。

• _IO_write_ptr：指向当前可写入的位置。数据从这里开始存放。

• _IO_write_end：指向缓冲区的末尾地址

模式 场景 解释

stdin/stdout默认是行缓冲
stderr没有缓冲

1.文件的打开关闭

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

path是文件路径和文件名

mode是和文件IO一样指定打开文件的形式

在基础后面加上+ 表示可读可写

还有一个"b"参数 ,他是为了阻止 C 库在\n和\r\n之间做多余的事，可以保证读取写入的正确性

在windows系统中\r 代表回到行首 \n代表向下平移到下一行，\r\n结合就是到下一行行首，如果没用参数b，windows系统下可能对\n做处理把他转换成\r\n，会引起歧义。linux只有\n不会引起歧义。做移植的时候就必须加这个参数了

int fclose(FILE *stream)

成功返回0，失败返回EOF（-1）

2.读写文件操作

读取：

#include <stdio.h>

int fgetc(FILE *stream);

int getc(FILE *stream); //宏

int getchar(void);

fgetc是读取流的一个字符，

getc也是读取流的一个字符，但是他是宏

getchar是获取输入的字符与fgetc(stdin)一样

char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);

这个是读取整行数据的

写入：

int fputc(int c, FILE *stream);

int putc(int c, FILE *stream);

int putchar(int c);

• 成功时返回写入的字符；出错时返回EOF(-1)

• 这几个函数都是写入单个字符的

int puts(const char *s); int fputs(const char *s, FILE *stream);

• puts将缓冲区s中的字符串输出到stdout，并追加’\n’
• fputs将缓冲区s中的字符串输出到stream,不追加 ‘\n’

再介绍这两个函数，高效读写：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t n, FILE *fp);

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t n, FILE *fp);

fread和fwrite是标准I/O中“批量数据搬运工”。相比于fgetc（一次一个字符）和fputs（一次一行），它们直接操作内存块，非常适合读写二进制数据（如结构体、数组、图片数据）或大块文本。

接着补充对于文件内容位置操作的函数

到这里就差不多了，这里在附上基本操作的代码

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <errno.h>

#include <fcntl.h>

int main(){

FILE *fp=fopen("test.txt","r+");

if(fp==NULL){

perror("fopen");

return -1;

}

fputs("wsyunnand",fp);

rewind(fp);

int buf;

buf=fgetc(fp);

if(buf!=EOF){

printf("read:%c\n",buf);

}

char read[100] = {0};

int i=fread(read,1,100,fp);

printf("read all:%d",i);

printf("read all:%s",read);

fclose(fp);

return 0;

}

文件内容是这个

wsyunnand
yeyeyessssssssssss
ddddddddd

输出

$ make run
read:w
read all:39read all:syunnand
yeyeyessssssssssss
ddddddddd

最后把一些其他标准IO和文件IO的一些其他函数放在这个链接：
linux标准IO和文件IO函数-CSDN博客