Linux篇第九篇——基础IO（系统文件IO+文件描述符+重定向+文件系统+软硬链接）

Posted 2022-03-31 呆呆兽学编程

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux篇第九篇——基础IO（系统文件IO+文件描述符+重定向+文件系统+软硬链接）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

⭐️这篇博客就要开始聊一聊Linux中基础IO相关知识，IO相信大家都不陌生，我们在C/C++中对文件进行读写的操作，也就是文件IO，这篇博客我也会带大家回顾一下。这篇博客还会介绍系统中的文件IO调用的接口，还有文件系统相关的内容和概念，文件描述符等相关知识的分享。

🌏C语言文件IO介绍

🌲文件操作库函数的简单使用

C语言的专栏中有专门讲到这一块知识，这里会介绍一些，更细节的内容可以参考这篇博客——C语言文件操作

先看一下C语言的两个库函数：

size_t fwrite( const void *buffer, size_t size, size_t count, FILE *stream );// 写文件
size_t fread( void *buffer, size_t size, size_t count, FILE *stream );// 读文件

fwrite： 第一个参数是从buffer获得数据，第二个参数是一次写入多少个字节的大小的数据，第三个参数是最多写几次，第四个参数是写数据到这个流。返回值是代表这次实际写的次数。只适用于文件流。
fread： 第一个参数是从读取数据放到这，第二个参数是一次读入多少个字节的大小的数据，第三个参数是最多读几次，第四个参数是从这个流读数据。返回值是代表这次实际读的次数。只适用于文件流。

实例演示：
实例1： 写文件

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

int main()

	FILE* fp = fopen("log.txt", "w");
	
	if (fp == NULL)
		perror("open file fail");
		exit(-1);
	
	
	const char* msg = "hello world!\\n";
	int count = 5;
	while (count--)
		fwrite(msg, strlen(msg), 1, fp);
	
	fclose(fp);
	return 0；

代码运行结果如下：

实例2： 读文件

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

int main()

	FILE* fp = fopen("log.txt", "r");
	
	if (fp == NULL)
		perror("open file fail");
		exit(-1);
	
	
	char buf[256] = 0;
	int ret = 0;
	while ((ret = fread(buf, 1, 13, fp)))
		printf("%s", buf);
	
	fclose(fp);
	return 0；

代码运行结果如下：

🌲stdin&stdout&stderr

Linux下一切皆文件，硬件设备也是被当做文件看待的，也就是说这些硬件设备也是可以通过IO打开的，并且进行读写。那他们是操作的呢？一般来说，C语言程序运行起来，都会默认打开3个流，分别是：

stdin: 标准输入流（键盘）
stdout: 标准输出流（显示器）
stderr: 标准错误流（显示器）

stdin，stdout和stderr背后支撑的硬件设备分别是键盘、显示器和显示器。

#include <stdio.h>
extern FILE *stdin;
extern FILE *stdout;
extern FILE *stderr;

仔细观察可以发现，它们都是FILE*类型的，也就是文件指针。所以，我们不需要考虑要打开键盘和屏幕这些流。这也是为什么我在打印数据到屏幕或从键盘上输入数据时，即使我们没有打开这些流，我们也可以执行这些操作的原因。
输出信息到屏幕的几种方式：

直接使用库函数printf 进行打印
将文件操作中写文件的库函数传参进行更改，我们选择不传文件，而是传一个stout，因为它的类型也是FILE*,，所以我们可以把数据写到屏幕上
实例演示：

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

int main()

	FILE* fp = fopen("log.txt", "w");
	
	if (fp == NULL)
		perror("open file fail");
		exit(-1);
	
	
	const char* msg = "hello world!\\n";
	int count = 5;
	while (count--)
		fwrite(msg, strlen(msg), 1, stdout);// 把fp改成stdout
	
	fclose(fp);
	return 0；

代码运行结果如下： 显然，数据是被输出到屏幕上的

总结： C语言会默认打开三个流，而且C++等其它的语言都会有对应的手段，且这些都是由操作系统来进行支持。由不同的语言进行封装。

🌏系统文件IO

操作系统底层其实是提供了文件IO的系统调用接口的，有write,read,close和lseek等一套系统调用接口，不同语言会对这些系统调用接口进行封装，封装成某个语言自己的一套文件IO的库函数，这样在语言层面，程序员只需要语言的调用库函数，无需关系底层的系统调用，降低了开发成本。

🌲系统调用接口的介绍

这里主要介绍open、read、wirte和close

🍯open

作用： 打开一个文件
函数原型：

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

参数介绍：

pathname： 要打开或创建的目标文件的路径名
flags： 打开文件时，可以传入多个参数，用传入的参数进行或运算，得出flags
选项：
O_RDONLY： 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选项，来指明新文件的访问权限
O_APPEND: 追加写
说明： 这里的每一个选项都只有一个比特位是为1的，其余都是0，所以将这些选项组合就是对这些选项进行或运算，然后传个flags
mode： 文件权限。在新文件被创建时, 参数mode具体指明了使用权限。他通常也会被umask 修改。所以一般新建文件的权限为 (mode &~umask)。

返回值：

成功：返回新的文件描述符
失败：-1

实例演示： open函数的使用，研究函数返回值

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

int main()

	int fd1 = open("log.txt1", O_RDONLY|O_CREAT, 0664);
	int fd2 = open("log.txt2", O_RDONLY|O_CREAT, 0664);
	int fd3 = open("log.txt3", O_RDONLY|O_CREAT, 0664);
	int fd4 = open("log.txt4", O_RDONLY|O_CREAT, 0664);
	int fd5 = open("log.txt5", O_RDONLY|O_CREAT, 0664);
	
	printf("fd1:%d\\n", fd1);
	printf("fd2:%d\\n", fd2);
	printf("fd3:%d\\n", fd3);
	printf("fd4:%d\\n", fd4);
	printf("fd5:%d\\n", fd5);
	
	return 0;

代码运行结果如下：

观察运行结果可以发现，返回值fd是从3开始分配，且是递增的，不知道大家对这一连串的数字可以联想到什么。
是数组下标吗？对的，fd的本质就是数组的下标，其实这些返回值就是一个数组的下标。那问题又来了，既然是数组下标，那0，1，2去哪了？其实在Linux下，进程会默认把3个文件描述符分配（0，1和2）给标准输入、标准输出和标出错误，所以，后序如果打开文件，文件描述符就是从3开始分配的。

🍯close

作用： 关闭文件
函数原型：

int close(int fd);

函数参数：

fd： 文件描述符

🍯write

作用： 写文件
函数原型：

ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);

函数参数：

fd： 在文件描述符为fd的文件中进行写入
buf： 从buf位置开始读取数据
nbyte： 从buf位置开始读取nbyte个字节到文件中

函数返回值：

成功：返回实际写入数据的字节数
失败：返回-1

实例演示：

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

int main()

  int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0664);

  char buf[15] = "hello world\\n";
  write(fd, buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0]));

  close(fd);
  return 0;

代码运行结果如下：

🍯read

作用： 写文件
函数原型：

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

函数参数：

fd： 在文件描述符为fd的文件中开始读
buf： 把读得内容从buf的位置开始存放
count： 从buf位置开始存放count个字节

函数返回值：

成功：返回实际读取数据的字节数
失败：返回-1

实例演示：

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

int main()

	int fd = open("log.txt", O_RDONLY|O_CREAT, 0664);
	
	char buf[15] = "hello world\\n";
	read(fd, buf, 15);
	printf("%s", buf);
	close(fd);
	return 0;

代码运行结果如下：

🌏文件描述符fd

fd： 打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。

注意：

Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2.
0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器

思考1：一个进程可以打开多个文件，那这些文件是如何管理起来的呢？

答案是先描述，再组织。操作系统在内存中创建相应的数据结构来描述目标文件。也就是用一个struct file的结构体把每个文件描述起来，如下：

其中，为了模拟面向对象中的成员方法，这里通过函数指针来模拟实现，里面用不同的函数指针指向了不同的文件的操作方法，这里就模拟实现了C++中面向对象的多态的一大特性，对于进程而言，先找到file_struct，然后找到fd_array的指针数组，通过下标fd找到对应的file*，从而找到对应的文件，然后struct file中的函数指针就可以实现对文件的读写操作。
如何组织？
用一个双链表的结构把打开的文件链接起来，文件的打开和关闭就是对双链表的增删查改。

思考2：进程如何与文件关联起来？

每个进程中都有一个struct file_struct* 的结构体指针，指向的是一个file_struct的结构体，这个结构体里面有一个sturct file* 的指针数组fd_array[]，里面指向的就是一个一个的struct file，如下图：

进程如何找到对应文件？（进程和文件关联）
进程的task_struct中可以找到一个叫struct file*的指针，这个指针指向file_struct这张表，这样表里面又有一个指针数组，指向的是每一个文件的结构体，通过fd (数组下标)可以找到对应的struct file，这个结构体里面就包含文件属性和相关的inode元信息，还有对文件进行读写操作的一些方法。这样就达到通过fd找到对应文件的目的。

🌏文件描述符

在open的使用那块我已经演示了fd的一些分配规则，也就是默认从3开始分配，因为Linux进程默认情况下会打开3个缺省的文件描述符，上面介绍过了。所以我们的进程在打开文件时，就是从3开始配。
下面做一个小实验： 关闭fd为0的文件，也就是标准输入，此时我们打开两个文件，看看这两个fd分别是多少

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

int main()

    close(0);
	int fd1 = open("log.txt1", O_WRONLY|O_CREAT, 0664);
	int fd2 = open("log.txt2", O_WRONLY|O_CREAT, 0664);
	
	printf("fd1:%d\\n", fd1);
	printf("fd2:%d\\n", fd2);

	close(fd1);
	close(fd2)	
	return 0;

代码运行结果如下：

观察实验结果，可以发现，关闭了fd为0的文件后，后序打开的文件，文件描述符就是从0开始分配，然后分配没有被使用的fd，也就是3。从最小未被使用的文件描述符开始分配。
文件描述符分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符

🌏重定向

🌲概念

概念： 重定向是指修改原来默认的一些东西，对原来系统命令的默认执行方式进行改变

重定向一般有以下几种：

输出重定向： >
输入重定向： <
追加重定向： >>

看下面的演示：

正常使用echo命令，字符串是输出在显示器上的，加了输出重定向后，字符串被输出到文件上了。也就是把本应该打印到显示器上的内容打印到了文件上了。输出重定向改变了默认的输出方式。

🌲原理

🍯输出重定向

实例演示： 关闭标准输出流，也就是fd为1的文件，此时我们再以写的方式打开一个文件，然后进行输出，观察现象

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main()

	close(1);
	int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 00644);
	if(fd < 0)
		perror("open");
		return 1;
	
	printf("fd: %d, you can see me...\\n", fd);
	fflush(stdout);
	close(fd);

	return 0；

运行结果如下：

观察实验结果，可以发现关闭标准输出流后，本应该打印到显示器上的字符串被输出到了log.txt 的文件中。
从上述实验现象分析重定向原理： 关闭了标准输出流，再以写的方式打开一个文件（被分配fd=1），凡是要在fd=1写的内容，现在都写到了log.txt中，如下图：

🍯追加重定向

实例演示： 关闭标准输出流，也就是fd为1的文件，此时我们再以追加（O_APPEND）的方式打开一个文件，然后进行输出，观察现象

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main()

	close(1);
	int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 00644);
	if(fd < 0)
		perror("open");
		return 1;
	
	printf("fd: %d, you can see me...\\n", fd);
	fflush(stdout);
	close(fd);

	return 0；

运行结果如下：

根据输出重定向的原理，我们也不难介绍这个现象，关闭了标准输出流，我们以追加的方式打开一个文件，这个文件被分配了一个为1的文件描述符。因为printf是库函数，是往fd为1的文件进行输出，所以这里也是直接在log.txt文末进行追加

🍯输入重定向

实例演示： 关闭标准输入流，以读的方式打来文件

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main()

	close(0);
	int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
	if(fd < 0)
		perror("open");
		return 1;
	
	char buf[256] = 0;
	printf("%s\\n", buf);
	close(fd);
	return 0；

运行结果如下：

分析原理：

🌲dup2系统调用

作用： 复制文件描述符给一个新的文件描述符，让fd_array数组中下标为oldfd的内容拷贝给下标为newfd的内容，也就是让newfd的指向发生改变，指向oldfd所指向的文件

函数原型：

int dup2(int oldfd, int newfd);

参数介绍：

oldfd： 要复制的文件的文件描述符
newfd： 让文件描述符文newfd的文件称为文件描述符为oldfd的文件的一份拷贝

实例演示： 用系统调用dup2来实现输出重定向

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main() 
	int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY);
	if (fd < 0) 
		perror("open");
		return 1;
	
	dup2(fd, 1);
	printf("fd:%d, you can see me\\n", fd);
	close(fd);
	return 0;

代码运行结果如下：

dup2原理分析： printf是C库当中的IO函数，一般往 stdout 中输出，但是stdout底层访问文件的时候，找的还是fd:1, 但此时，fd:1下标所表示内容，已经变成了log.txt的地址，不再是显示器文件的地址，所以，输出的任何消息都会往文件中写入

🌏FILE

概念： FILE是C语言的一个对文件进行描述的一个结构体。因为IO相关的函数与系统调用接口是对应的，且库函数封装了系统调用，所以本质上访问文件都是通过fd（fd_array数组下标）进行访问的，所以C语言中的FILE结构体内部，必定封装了fd。

我们可以在 /usr/include/libo.h 打开文件，查看FILE 结构体

typedef struct _IO_FILE FILE;

完整内容如下：

struct _IO_FILE 
	int _flags; /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
	#define _IO_file_flags _flags
	//缓冲区相关
	/* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
	/* Note: Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
	char* _IO_read_ptr; /* Current read pointer */
	char* _IO_read_end; /* End of get area. */
	Lua从青铜到王者基础篇第九篇:Lua元表
 Python开发第九篇：协程异步IO
 python成长之路第九篇：网络编程
 Linux从青铜到王者第九篇:Linux进程间通信第一篇
 Linux下的基础IO
 Linux基础IO-IO接口，文件描述符，重定向

Linux篇第九篇——基础IO（系统文件IO+文件描述符+重定向+文件系统+软硬链接）

目录

🌏C语言文件IO介绍

🌲文件操作库函数的简单使用

🌲stdin&stdout&stderr

🌏系统文件IO

🌲系统调用接口的介绍

🍯open

🍯close

🍯write

🍯read

🌏文件描述符fd

🌏文件描述符

🌏重定向

🌲概念

🌲原理

🍯输出重定向

🍯追加重定向

🍯输入重定向

🌲dup2系统调用

🌏FILE