【Linux】基礎(chǔ) IO（文件描述符fd & 緩沖區(qū) & 重定向）

1. 前言 文件 = 內(nèi)容 + 屬性 訪問文件之前必須先打開它，為什么要先打開呢？ 訪問一個文件的時候，是 進程 在訪問它當(dāng)文件沒有被打開的時候，是保存在 磁盤 中

為啥訪問一個文件是進程在訪問呢？來看一段代碼

代碼語言：JavaScript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

#include <stdio.h>int main(){    FILE *fp = fopen("log.txt", "w");    if(fp == NULL)    {        perror("fopen");        return 1;    }    const char *message = "hello filen";    int i = 0;    while(i < 5)    {        fputs(message, fp);        i++;    }    fclose(fp);    return 0;}

結(jié)果如下：

我們可以發(fā)現(xiàn)：

程序結(jié)束之后，會在當(dāng)前目錄下新建 log,txt 文件查看文件時內(nèi)容已被寫入這個文件在磁盤中已經(jīng)被保存好了

? 那么我們現(xiàn)在有個問題，我們編好了代碼，這個文件是不是就打開了 — 沒有，因為我們把代碼寫好之后，這個還只是一個文本，那是不是把代碼編譯成可執(zhí)行程序，文件就打開了 — 答案也是沒有的，把原代碼編譯成可執(zhí)行程序僅僅是跑起來了。

? 那么什么時候文件才真正被打開呢？

當(dāng)我們的程序運行的時候，執(zhí)行到 fopen 函數(shù)時并且成功之后，文件才會打開。此時就知道 foepn 就和 malloc 、new 類似， 屬于運行時操作，當(dāng)程序執(zhí)行完 fopen ，這個文件才會打開。因此訪問一個文件，不是程序在訪問，而是進程在訪問。

進程 是在 內(nèi)存 當(dāng)中的，進程加載到內(nèi)存中，最終是由 CPU 去執(zhí)行，可是進程要進行文件讀取操作時，這個文件是在磁盤上的，它們又是咋聯(lián)系上的呢？

根據(jù) 馮諾依曼 體系，一個文件有內(nèi)容和屬性，將來也要被 CPU 所讀取，可是進程在內(nèi)存里，文件在磁盤上的，而CPU 無法直接訪問磁盤，就需要先去打開該文件，將文件也加載到內(nèi)存中，否則進程訪問不到，因為 CPU 也訪問不到文件 = 內(nèi)容 + 屬性，因此我們加載到內(nèi)存的就是 內(nèi)容 和 屬性，我們剛剛講的都是一個進程可以打開一個文件，此外一個進程也可以打開多個文件。 由于文件需要加載到內(nèi)存當(dāng)中，同時我們的文件數(shù)目比進程數(shù)更多，進程都需要 OS 管理，那么 OS 對于加載到 內(nèi)存的文件也需要做管理

結(jié)論：訪問一個文件之前必須先打開它，根據(jù)馮諾依曼，無法訪問磁盤上的文件，必須加載到內(nèi)存上

如何管理文件？

先描述再組織內(nèi)核中，文件 = 文件的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) + 文件的內(nèi)容

結(jié)論：我們研究打開的文件，就是在研究 進程 和 文件 的關(guān)系

2. 輸出重定向

我們上面 fopen 中的 ‘w’ 是 覆蓋式寫入，會將文件清空之后再寫入。這個就類似于 我們之前學(xué)的

這個 > 就叫作 輸出重定向，寫入前把文件先清空。

案例：給上面代碼加個 字符數(shù)組

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

int main(){    FILE *fp = fopen("log.txt", "w");    if(fp == NULL)    {        perror("fopen");        return 1;    }        char buffer[1024];    const char *message = "hello file";    int i = 0;    while(i < 5)    {        snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s:%dn", message, i);        fputs(buffer, fp);        i++;    }    fclose(fp);    return 0;}

輸出如下：

追加寫入 — a

同樣在 echo 命令中 我們也可以用 >> 來追加式寫入

3. 標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流 ?

概念補充：任何一個程序在啟動之前默認(rèn)需要打開三個流

stdin ： 標(biāo)準(zhǔn)輸入 — 鍵盤stdout ：標(biāo)準(zhǔn)輸出 — 顯示器stderr ： 標(biāo)準(zhǔn)錯誤 — 顯示器

但是鍵盤、顯示器不是屬于硬件嘛，怎么跟文件流有關(guān)系，這個和我們之前學(xué)的 linux 下一切皆文件有關(guān)（TODO）

一個程序啟動時會打開三個流，而其中 C 語言底層所對應(yīng)的硬件時鍵盤、顯示器，但是它把這個鍵盤、顯示器包裝成了文件的樣子，最后就可以 File* 的形式來訪問文件了。

那么現(xiàn)在有個問題是誰默認(rèn)打開這三個流的呢？

進程默認(rèn)會打開這三個輸入輸出流，畢竟程序只是可執(zhí)行文件還沒有運行，而且訪問文件必須先把文件打開，就需要調(diào)用 fopen，三個標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流默認(rèn)就是進程打開。 同樣 c++ 也有三個輸入輸出流 — cin、cout、cerr

把打印內(nèi)容到顯示器的 三種方法

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

#include <stdio.h>int main(){    printf("hello worldn");    fputs("aaaa", stdout);    fwrite("bbbb", 1, 4, stdout);    fprintf(stdout, "cccc");    return 0;}

4. open 函數(shù) ?4.1 基本概念

上面的flags 表示打開文件的標(biāo)記位，以只讀或只寫等形式打開，mode 表示創(chuàng)建文件權(quán)限 O_RDONLY 以只讀方式打開文件O_WRONLY 以只寫方式打開文件O_RDWR 以可讀寫方式打開文件。 上述三種旗標(biāo)是互斥的，也就是不可同時使用，但可與下列的旗標(biāo)利用OR(|)運算符組合。 O_CREAT 若欲打開的文件不存在則自動建立該文件。注：需要使用mode選項，來指明新文件的訪問權(quán)限O_EXCL 如果O_CREAT 也被設(shè)置，此指令會去檢查文件是否存在。文件若不存在則建立該文件，否則將導(dǎo)致打開文件錯誤。此外，若O_CREAT與O_EXCL同時設(shè)置，并且欲打開的文件為符號連接，則會打開文件失敗。O_TRUNC 若文件存在并且以可寫的方式打開時，此旗標(biāo)會令文件長度清為0，而原來存于該文件的 資料也會消失。O_APPEND 當(dāng)讀寫文件時會從文件尾開始移動，也就是所寫入的數(shù)據(jù)會以附加的方式加入到文件后面。

③ 參數(shù)mode 組合 此為Linux2.2以后特有的旗標(biāo)，以避免一些系統(tǒng)安全問題。參數(shù)mode 則有下列數(shù)種組合，只有在建立新文件時才會生效，此外真正建文件時的權(quán)限會受到umask值所影響，因此該文件權(quán)限應(yīng)該為（mode-umaks） ④ 返回值 若所有欲核查的權(quán)限都通過了檢查則返回文件描述符，表示成功，只要有一個權(quán)限被禁止則返回-1。

4.2 mode — 權(quán)限 代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int main(){    open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT);    return 0;}

運行上面代碼，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建了log.txt，但是它的權(quán)限是亂碼的。這是因為我們在最初的時候并沒有給其分配權(quán)限，修改如下：

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);

此時權(quán)限就正常了，但是我們明明指定的權(quán)限明明是 666 ，但是這上面為啥顯示的是 664 呢，因為系統(tǒng)存在 umask（0002）的默認(rèn)權(quán)限掩碼，權(quán)限掩碼會與我們設(shè)置的權(quán)限進行位運算。那么我們應(yīng)該怎么做，才能不讓其去掉這個權(quán)限呢？如下：

此時將代碼中的 umask 設(shè)置為對應(yīng)的 0 后，權(quán)限掩碼就不會給我們?nèi)サ?默認(rèn)的 umask (0002)了，結(jié)果就對上了

注意：權(quán)限掩碼按照就近原則，如果我們有設(shè)置默認(rèn)權(quán)限掩碼，就用我們設(shè)置的，如果沒有，就會使用系統(tǒng)默認(rèn)的。

4.3 close 和 write 函數(shù)

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

int main(){    int fd1 = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0666);    if(fd1 < 0)    {        perror("open");        return 1;    }    printf("fd1: %dn", fd1);    const char* message = "hello worldn";    write(fd1, message, strlen(message));    close(fd1);    return 0;}

上面是系統(tǒng)調(diào)用接口close和write。fd就是open的返回值。

輸出如下：

我們把message里的內(nèi)容換成aaa，然后直接運行代碼。

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

const char* message = "aaa";

發(fā)現(xiàn)之前的內(nèi)容還在，舊的內(nèi)容沒被完全清空：

這是因為這里的open默認(rèn)不存在就創(chuàng)建，存在就打開，默認(rèn)不清空文件

如果我們想像c語言fopen的“w”打開方式一樣， 打開就清空文件，就需要再傳 O_TRUNC

表示 如果文件已經(jīng)存在，而且是個常規(guī)文件，并以寫的方式打開，傳入這個選項后，他就會把文件清空。

補充： 我們還可以用 O_APPEND 來對內(nèi)容進行 追加式寫入

5. 系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)

還記得我們上面寫的 fd 作返回值嘛，在認(rèn)識返回值之前，先來認(rèn)識一下兩個概念:系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)

fopen fclose fread fwrite都是C標(biāo)準(zhǔn)庫當(dāng)中的函數(shù)，我們稱之為庫函數(shù)（libc）open close read write lseek 都屬于系統(tǒng)提供的接口，稱之為系統(tǒng)調(diào)用接口

系統(tǒng)調(diào)用接口和庫函數(shù)的關(guān)系，一目了然。 所以，可以認(rèn)為，f#系列的函數(shù)，都是對系統(tǒng)調(diào)用的封裝，方便二次開發(fā)。

舉個例子：

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

int main(){    int a = 12345;    write(1, &a, sizeof(a));    return 0;}

經(jīng)過輸出，我們發(fā)現(xiàn)最后輸出結(jié)果不是 12345

原因： 12345 是整數(shù)，但是顯示器是個字符設(shè)備只認(rèn)字符

解決如下：

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

int main(){    int a = 12345;    char buffer[1024];    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%d", a);    write(1, buffer, strlen(buffer));    return 0;}

? 因此我們可以知道直接把數(shù)字打印到顯示器用系統(tǒng)調(diào)用接口是不行的，必須做相關(guān)的轉(zhuǎn)化變成相關(guān)字符然后依次地達(dá)到顯示器上。

? 那么我們有個問題，我們已經(jīng)有了對應(yīng)的 read 接口向顯示器寫，為啥還需要提供這么多寫入接口呢？

因為很多情況下需要把我們內(nèi)存級別的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成字符串風(fēng)格，然后通過 write 打印到顯示器上，這個就叫作 格式化 的過程，然后由于系統(tǒng)調(diào)用，這個需要用戶自己來實現(xiàn)，為了方便，就提供了這些接口.

6. 文件描述符 fd 6.1 基本了解

輸出如下：

標(biāo)準(zhǔn)輸入stdin標(biāo)準(zhǔn)輸出stdout標(biāo)準(zhǔn)錯誤stderr

情況一： write 向 1 輸出

可以用write配合文件描述符在顯示器上打印 ---

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

int main(){    const char *message = "hello writen";    write(1, message, strlen(message)); // 默認(rèn)提供的}// 輸出描述：[lighthouse@VM-8-10-centos File-IO]$ ./filecodehello write

情況二：read 向 0 讀取

代碼語言：javascript代碼運行次數(shù)：0運行復(fù)制

int main(){    char buffer[128];    ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer));    if(s > 0){        buffer[s - 1] = 0; // 吞掉最后一個換行符        printf("%sn", buffer);    }    return 0;}// 輸出描述：[lighthouse@VM-8-10-centos File-IO]$ ./filecodeabcdabcd

情況三：把字符串