【Linux取经路】基础I/O之被打开的文件——文件描述符的引入

文章目录

• 一、明确基本共识
• 二、C语言文件接口回顾
• • 2.1 文件的打开操作
  • 2.2 文件的读取写入操作
  • 2.3 三个标准输入输出流
  • 三、文件有关的系统调用
  • • 3.1 open
    • • 3.1.1 比特位级别的标志位传递方式
      • 3.2 write
      • • 3.2.1 模拟实现 w 选项
        • 3.2.2 模拟实现 a 选项
        • 3.3 read
        • 四、访问文件的本质
        • • 4.1 再来认识 FILE
          • 4.2 再来理解关闭文件
          • 五、���语

            一、明确基本共识

            • 文件等于内容加属性，内容和和属性都是数据，不管是内容还是属性都要在磁盘中保存。

            • 文件分为打开的文件和没打开的文件。

            • 打开的文件本质是进程打开的，要研究打开的文件，本质是研究进程和文件的关系。

            • 对文件的所有操作（打开文件、读取文件、向文件写入）等，都是通过代码来实现的，而代码最终是由 CPU 去执行的，根据冯诺依曼结构体系，CPU 不能直接和外设打交道，因此一个被打开的文件，第一步一定是先将其加载到内存。

            • 一个进程能够打开多个文件，所以在操作系统内部一定存在大量的被打开的文件，操作系统还是通过先描述，再组织的方式对打开的文件进行管理。每个被打开的文件都必须有自己的文件打开对象，其中一一定包含了文件的很多属性，将这些文件对象以某种特殊的数据结构组织起来，最终对文件的管理，就变成了对某种数据结构的维护（增删查改）。

            • 没打开的文件一般都是在磁盘上放着，对于没打开的文件，由于没打开的文件非常多，所以对于没打开的文件我们最关心文件如何被分门别类的放置好，分门别类的放置好是为了快速的进行增删查改。

              二、C语言文件接口回顾

              2.1 文件的打开操作

              // 文件打开接口FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

              第一个参数 path ，表示要打开的文件路径，或者文件名。如果只有文件名前面没写路径，表示打开当前路径下的文件。这里又涉及到当前路径，在前一篇文章中实现 cd 指令的时候就讲过什么是当前路径。总的来说，当前工作路径是一个进程 PCB 中维护的一个属性。一个可执行程序在被加载到内存成为进程创建出对应的 PCB 对象的时候，PCB 对象中就维护了一个叫做 cwd 的属性，该属性就表示进程当前的工作路径。

              如果 fopen 函数的第一个参数只传递了文件名，最终在打开文件的时候，操作系统会去 cwd 指向的工作路径下查找该文件。

              第二个参数 mode，这个参数有很多可选项，今天只介绍个别选项，关于所有选项的详细介绍请看我之前的文章【C语言进阶】文件操作。

              • w选项：只要是以 w 选项打开的文件，在写入之前都会对文件做清空处理，然后从头开始写入。

              • a选项：在文件结尾进行追加写。

                小Tips：我们之前介绍的重定向，> 本质上就对应使用的是 w 选项，>> 本质上就对应使用的是 a 选项。

                2.2 文件的读取写入操作

                和文件读取写入的相关接口，以及使用方法，今天也不过多介绍，详细介绍请看我之前写的文章【C语言进阶】文件操作。今天只想通过 fwrite 接口跟大家明确一件事情。

                // fwrite 接口声明size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

                int main(){    FILE *fp = fopen("log.txt", "w");    if (fp == NULL)    {        // 打开失败        perror("fopen");        return errno;    }    // 打开成功，对文件进行相关的操作    // ...    char* str = "Hello Linux!";    fwrite(str, strlen(str), 1, fp);    // 操作结束，关闭文件    fclose(fp);    return 0;}

                fwrite 接口的第二个参数 size 表示每一个要写入的对象的大小。在向文件写入字符串的时候，该参数是字符串的长度还是字符串的长度加一呢？因为 strlen 计算出来的字符串长度是不包含结尾的 \0，加一的小伙伴觉得要把 \0 也写到文件里面，但是 \0 真的需要写入文件嘛？其实 \0 并不需要写入文件中，因为字符串以 \0 结尾只是 C 语言这么规定的，我们把一个字符串写入文件后，可能通过其它的语言去读取该文件，我们并不希望读到与该字符串无关的内容 \0。下面是加一的结果：

                \0 也是字符，只不过不可显，在被写入到文件后，vim 编辑器会把它识别成 ^@，对 Hello Linux 来说，^@ 就是多余的无用字符。我们不希望它在文件中出现。

                2.3 三个标准输入输出流

                C程序在启动时候，默认会打开三个标准流文件：

                • stdin：标准输入流——键盘文件

                • stdout：标准输出流——显示器文件

                • stderr：标准错误流——显示器文件

                  三、文件有关的系统调用

                  文件最初是在磁盘上的，磁盘是外部设备，访问磁盘文件其实是访问硬件，在计算机层状结构中，硬件是处于最底层的，操作系统帮我们把这些硬件管理起来，并且操作系统是不相信用户的，因此操作系统不允许我们直接去访问硬件，而是给我们提供了系统调用接口，几乎所有的库只要是访问硬件设备，必定要封装系统调用。也就是说我们平时在C语言里面使用的 fopen、printf、fprintf、fscanf等函数都一定是封装了系统调用。

                  3.1 open

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

                  • 第一参数 pathname：表示要打开或创建的目标文件

                  • 第二个参数 flags：标志位选项。O_RDPPNLY：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 参数，来指明新文件的访问权限。O_APPEND：追加写；O_TRUNC：文件打开的时候先清空。

                  • 第三个参数 mode：新创建文件的默认权限，要考虑权限掩码，可以配合 umask 系统调用接口来设置自己想要的效果。umask 系统调用产生的效果就只对当前进程创建的文件有关。

                  • 返回值：成功，返回新打开的文件描述符，关于文件描述符是什么，将在后文为大家介绍；失败，返回-1。

                    小Tips：open 函数具体使用哪个，和具体的应用场景有关，如目标文件不存在，需要 open 创建，则第三个参数表示创建文件的默认权限。如果不需要创建新文件，使用两个参数的 open。

                    3.1.1 比特位级别的标志位传递方式

                    #define ONE (1    if(flags & ONE) printf("function1\n");    if(flags & TWO) printf("function2\n");    if(flags & FOU) printf("function3\n");    if(flags & EIG) printf("function4\n");    return;}int main(){    printf("--------------------------------------\n");    show(ONE);    printf("--------------------------------------\n");    show(ONE | TWO);    printf("--------------------------------------\n");    show(ONE | TWO | FOU );    printf("--------------------------------------\n");    show(ONE | TWO | FOU | EIG);    printf("--------------------------------------\n");    return 0;}    umask(0); // 将权限掩码设置成全0    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); // 以读的方式打开，若文件不存在就创建，打开文件时清空    if(fd fd: %d\n", stdout->_fileno);    printf("stderr->fd: %d\n", stderr->_fileno);    fprintf(stderr, "printf ret: %d\n", ret);    return 0;}

                    代码分析：close(1) 表示将标准输出关闭，1下标指向显示器文件，printf 就是向标准输出中进行写入，关闭后，三条 printf 函数都没有将内容成功打印到显示器上。根据上面的分析，虽然把标准输出关了，但是标准错误也指向显示器，所以在调用 fprintf 向标准错误中写入时，我们可以在显示器上看到打印结果。其次，printf 执行成功，返回值表示写入的字符个数，可以看出虽然我们通过系统调用直接把标准输出给关了，但是 printf 还是认为它写入成功。

                    五、结语

                    今天的分享到这里就结束啦！如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下，春人的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是春人前进的动力！