[linux仓库]透视文件IO：从C库函数的‘表象’到系统调用的‘本质’

🌟 各位看官好，我是！

🌍 Linux == Linux is not Unix ！

🚀 今天来学习基础IO的相关知识,理解文件内容,重温C文件接口以及open系统调用!

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文件的引入

#include<stdio.h>
#include<time.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>

//父子进程会写时拷贝，通过fork，让子进程对父进程数据进行并发备份的代码
int grray[100];

pid_t backup(const char *filename)
{
    pid_t id =fork();
    if(id==0)
    {
        //子进程完成对数据的备份
        FILE *fp = fopen(filename,"w");
        for(int i=0;i<100;i++)
        {
            fprintf(fp,"%d",grray[i]);
        }
        fclose(fp);
        exit(0);
    }
    return id;
}

int main()
{
    srand(time(NULL)^getpid());
    //父进程未来的数据
    for(int i=0;i<100;i++)
    {
        grray[i]=rand()%10;
    }
    //要求父进程对自己每一轮数据进行保存
    pid_t sub1 = backup("log1.txt");

    for(int i=0;i<100;i++)
    {
        grray[i]=rand()%10;
    }
    pid_t sub2 = backup("log2.txt");
    
    for(int i=0;i<100;i++)
    {
        grray[i]=rand()%10;
    }
    pid_t sub3 = backup("log3.txt");

    waitpid(sub1,NULL,0);
    waitpid(sub2,NULL,0);
    waitpid(sub3,NULL,0);

    return 0;
}

父进程创建子进程，让子进程执行一个全新的程序：子进程执行父进程代码的一部分。若父进程要修改数据，此时会发生写时拷贝。通过fork让子进程对父进程数据进行并发备份，完成了把数据备份到文件内容的要求。

基础IO -- 理解文件内容

背景补充

• 文件 = 内容 +属性
• 访问一个文件，都必须先把对应文件打开-->为什么呢?本质上是把文件加载到内存中
• 如果一个文件没有被打开，那么它就在磁盘中
• 我的文件被谁打开的? -->用户通过bash，创建子进程，让这个进程通过操作系统打开这个文件的。

因此一个文件分为两部分：

1. 被打开的文件，该如何处理？
2. 未被打开的文件，又是怎样做的？

• 那么os内，一定同时存在大量的被打开的文件!!! --> 操作系统要不要管理这些被打开的文件呢？(文件是属于哪个进程的，文件权限是什么，是只可读还是都可以) --> 先描述，在组织!!!
• 进程有task_struct,未来进程也有要打开的文件，因此平时研究打开文件，本质是研究:进程与文件的关系!!!

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（相对内存是临时性存储介质）
• 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）（后⾯会讲如何去

理解）

文件操作的归类认知

• 对于 0KB内容 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

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提供⽅便），⽽是通过⽂件相关的系统调⽤接⼝来实现的

回顾C文件接口

   //默认往当前路径创建文件并进行写入
   FILE *fp = fopen("log.txt","w");
   if(!fp)
   {
      perror("fopen");
      return 1;
   }
   const char *str = "hello linux\n";
   //如果我们要想文件中写入一个字符串，strlen()+1? 不要！！！
   fwrite(str,strlen(str),1,fp);
   fclose(fp);

fopen默认从当前路径下新建文件，那么当前路径从哪来呢?有了前面学习，我们清楚是从cwd来的。那我的cwd又如何被拿到的呢?进程记录了cwd

如何查看当前正在运行进程的信息：

ls /proc/[进程id] -l

输出结论：打开文件，必须先找到文件，要找到文件，就必须知道该文件的路径+文件名，这也是为什么进程要有cwd的原因之一!!!

扩展：

#include<...>  和 #include"..." ，我们说过 "..." 会优先在当前路径下进行查找，那它是如何做到的？

编译器跑起来也是一个进程，是进程就需要记录自己的cwd。如果源文件目录找不到，编译器会检查启动编译器时所在的当前工作目录。

要打开文件，就需要知道文件路径+文件名，那么意味着我们只要更改工作路径，就可以把文件创建到其他路径并进行写入。

fopen接口

可以看到打开一个文件，既可以只进行读取，也可以只进行写入，又或者是读写，C语言库函数给我提供了诸多选项，接下来进行一一介绍。

"w"

不存在该文件进行创建，若存在该文件会将内容做清空再进行写入。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    FILE *fp = fopen("log.txt", "w");
    if (!fp)
    {
        perror("fopen");
        exit(1);
    }
    const char *str = "hello linux!\n";
    size_t n = fwrite(str, strlen(str), 1, fp);
    fclose(fp);
    return 0;
}

这个功能和我们之前学的 > 重定向是类似的，又或者说 > 的底层不就是"w"吗？

 "a"

不存在该文件进行创建，若存在该文件不会将内容做清空，进行追加内容。

这个功能和我们之前学的 >> 重定向是类似的，又或者说 >> 的底层不就是"a"吗？

"r" 

对文件内容进行读取。

输出信息到显示器的方法

引入

方法

• putc
• fwrite

size_t fwrite(const void ptr[restrict .size * .nmemb], size_t size, size_t nmemb, FILE*restrict stream); // 第一个参数表示是与类型无关的

• fputs
• fwrite
• fprintf

C默认会打开三个输⼊输出流（其实就是打开三个文件），分别是stdin, stdout, stderr

仔细观察发现，这三个流的类型都是FILE*, fopen返回值类型，⽂件指针

扩展：为什么要打开呢？

• 易用性：让程序无需复杂配置即可实现基本的输入输出。
• 规范性：统一所有程序的 IO 接口，便于系统管理和用户操作。
• 灵活性：通过重定向和分离错误流，适应多样化的应用场景（交互、批处理、日志记录等）。

向显示器上打印，本质就是向stdout上写入，也是一个文件，因此是向一个文件写入，因为stdout也是FILE*。

int main()
{
   const char *s1 = "hello printf\n";
   printf(s1);

   const char *s2 = "hello fprintf\n";
   fprintf(stdout,s2);

   const char *s3 = "hello fputs\n";
   fputs(s3,stdout);

   //fwrite不区分文本和二进制
   const char *s4 = "hello fwrite\n";
   fwrite(s4,strlen(s4),1,stdout);

   return 0;
}

系统文件IO

开⽂件的⽅式不仅仅是fopen，ifstream等流式，语⾔层的⽅案，其实系统才是打开⽂件最底层的方案。

传递标志位

学习系统⽂件IO之前，先要了解下如何给函数传递标志位，该⽅法在系统⽂件IO接⼝中会使⽤：

//位图传递标记位置
#define VERSION1 (1<<0) //1
#define VERSION2 (1<<1) //2
#define VERSION3 (1<<2) //4
#define VERSION4 (1<<3) //8
#define VERSION5 (1<<4) //16

void ShowVersion(int flags)
{
   if(flags & VERSION1)
       printf("Version1\n");
   if(flags & VERSION2)
       printf("Version2\n");
   if(flags & VERSION3)
       printf("Version3\n");
   if(flags & VERSION4)
       printf("Version4\n");
   if(flags & VERSION5)
       printf("Version5\n");
}

int main()
{
   ShowVersion(VERSION1); //显示版本
   printf("---------------\n");
   ShowVersion(VERSION1 | VERSION2 ); //显示版本
   printf("---------------\n");
   ShowVersion(VERSION1 | VERSION5); //显示版本
   printf("---------------\n");
   ShowVersion(VERSION1 | VERSION2 | VERSION5); //显示版本
   printf("---------------\n");
   ShowVersion(VERSION1 | VERSION2 | VERSION3 | VERSION4 | VERSION5); //显示版本
   printf("---------------\n");
   return 0;
}

open系统调用

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

• pathname: 文件路径+文件名 
• 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。（32个比特位，一个比特位，一个标志位）

参数：就是宏，一个数字，只有一个比特位是1

1. O_RDONLY: 只读打开
2. O_WRONLY: 只写打开
3. O_RDWR : 读，写打开（这三个常量，必须指定⼀个且只能指定⼀个）
4. 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
5. O_APPEND: 追加写

• ... ：如果文件不存在时。创建文件时可以给它设置权限（如果打开的文件本身存在，用两个参数的open即可）

返回值：

• 成功：新打开的⽂件描述符
• 失败：-1

O_RONLY

O_CREAT

我们也可以给一个文件加上权限：

int fd = open("log.txt",O_CREAT | O_RONLY,0666);

O_TRUNC

作用：清空文件内容 

C语言库函数的底层一定是这样做的。

O_APPEND 

作用：对文件内容进行追加

C语言库函数的底层一定也是这样做的。

扩展

问题1：为什么C语言要封装文件操作接口?为什么大部分的语言，都要对系统调用做封装?

• 系统调用麻烦不是主要原因；
• 支持跨平台性、可移植性。

为什么语言要跨平台?
一个平台，本质是数百万的用户!增加语言的竞争力!!!

问题2：为什么要学习系统调用？

系统调用是所有语言，文件操作的根，只要理解系统调用，其他语言的文件操作，就只剩下，熟悉操作即可!

总结

本文介绍了Linux基础IO相关知识，重点讲解了文件操作和系统调用。主要内容包括：

1. 通过fork实现父子进程的数据备份；
2. 文件的基本概念（内容+属性）和访问原理；
3. C语言文件操作接口（fopen、fwrite等）的使用和原理；
4. 系统调用open的使用方法及其参数标志位的传递方式。文章还探讨了C语言封装系统调用的原因（跨平台性）和学习系统调用的重要性（理解底层机制）。通过实例代码和概念解析，帮助读者深入理解文件IO操作的本质。

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