13 Linux下的基础IO

Posted 2021-11-06 精致的灰(>_<)

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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13 Linux下的基础IO相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

不同操作系统所暴露出的接口是不同的，因此Linux下的一些系统调用接口是无法移植到Windows下的。

文章目录

一、C语言中的文件接口
二、系统文件I/O
三、FILE
四、dup 重定向
总结

一、C语言中的文件接口

在C语言文件操作时学过文件接口C语言中的文件接口

这里补充一些内容：

文件=内容+属性
stdin:标准输入（键盘）
stdout:标准输出（显示器）
stderr:标准错误（显示器）

Linux下一切皆文件，所以stdin，stdout，stderr也是可以当做文件看待，被fopen打开。
这是因为语言是人和计算机交互的载体，所以任何一门语言都需要标准输入、输出和错误

之所以能直接使用printf和scanf这种输出到显示器和从键盘输入的函数，是因为C语言默认帮助我们打开了这三个标准输入和输出的设备。

用下面的代码验证:

可以看到普通文件和显示器文件在代码层面上是没有差别的。

二、系统文件I/O

2.1.系统调用接口

操作文件，除了上述C接口（当然，C++也有接口，其他语言也有），我们还可以采用系统接口来进行文件访问，使用man手册可以查看他们：

fd:要打开文件的描述符
buf:写入/读入的字符串指针
count:写入/读入字符的个数（字节数）

实际上，我们上面用的C语言文件接口，在底层用的就是系统调用的接口：

系统调用的接口只有一套，和系统有关，而库函数可以有多个（C语言文件接口，C++文件接口等），语言层的库函数文件接口都是基于系统调用接口进行的封装。

由于显示器是硬件，硬盘也是硬件，所以任何语言的文件操作最终都要通过操作系统进行对硬件的写入。

open

通过mani手册可以查看用法：

要包含的头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

打开的文件存在，使用下面的接口：
 int open(const char *pathname, int flags);
打开的文件不存在，使用下面的接口：
 int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

参数：
pathname：要打开文件的名字

flags：打开文件的方式
   O_RDONLY :只读方式
   O_WRONLY :只写方式
   O_RDWR :读写方式
可选项：
    O_TRUNC :截断文件（清空文件内容)
    O_CREAT :文件不存在则创建文件
    O_APPEND :追加的方式
    O_EXCL | O_CREAT :如果文件存在，则打开文件失败
    
mode:创建文件时的权限（八进制，比如0664等）

返回值：
成功：新打开的文件描述符
失败：-1

可选项的原理：

所有选项对应的数在转成二进制后只有一个比特位为1且为1的二进制位是不同的，所以传多个选项的时候实际上是对传入的数进行按位或处理。最后传给flags的是一个数，这个数有一个或多个比特位为1。

以下面的代码为例：

2.2.文件描述符fd（file descriptor）

可以看到打开成功后各自的返回值是3 4 5。。。
打开失败返回值则为-1
这些返回值叫做文件描述符，在系统层面是一个整数，从0开始。
其中：0为标准输入，1为标准输出，2为标准错误，这三个默认被打开

文件描述符的本质是数组下标，操作系统为每一个进程维护了一个文件描述符表，该表的索引值都从从0开始的，索引值都有一个指针指向对应的文件：

一个进程如何通过文件描述符找到文件：当进程执行write(4,"hello",5)时，进程先找到自己的PCB，PCB中包含文件描述符表（struct files_struct），然后通过索引下标4找到对应的文件。

所以如果将文件描述符为0（标准输入）的关掉，则分配的下标为0：

可以看出文件描述符的分配规则为：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。

另外，要记得关闭文件描述符，否则会造成文件描述符泄漏，因为文件描述符表（数组）是有上限的。

2.3.补充内容–函数指针访问硬件

不同的硬件访问方式是不一样的，对于外设访问的方式一般是读和写，但是实现代码是不一样的，此时进程就可以通过函数指针的方式来指向它们各自的实现方法：

2.4.重定向的实现原理

重定向有两个操作符分别是>（格式化重定向）和>>（追加重定向），其实现原理就是操作系统内核把标准输出（1）关掉，然后打开对应的文件，此时该文件的下标就是1，应用层默认输入到下标为1的文件中，所以就输入到该文件中了。至于追加重定向则是在打开的时候加上选项O_APPEND。

三、FILE

文件指针中那个FILE本质是一个结构体，这个结构体中一定是包含文件描述符（fd）的，因为访问文件都是通过fd访问的。

对于下面的代码：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
 const char *msg0="hello printf\\n";
 const char *msg1="hello fwrite\\n";
 const char *msg2="hello write\\n";
 printf("%s", msg0);
 fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);
 write(1, msg2, strlen(msg2));
 fork();
 return 0;
}

如果对结果重定向，printf和 fwrite（库函数）都输出了2次，而write只输出了一次（系统调用）。

这是因为重定向影响了缓冲方式：
显示器采用的是行缓冲（遇到\\n就刷新）
文件采用的则是全缓冲（缓冲区数据写满才刷新）

没有重定向之前是往显示器写，而重定向则是往文件中写。

一般C库函数写入文件时是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲。
printf、fwrite库函数会自带缓冲区，当发生重定向到普通文件时，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。
全缓冲进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中。
fork的时候，父子数据会发生写时拷贝，数据被暂存在缓冲区中，因此子进程也就有了同样的一份数据，即产生两份数据。
由于父子进程的缓冲区中有两份一样的数据，所以会刷新两份。
write 没有刷新两份，说明没有所谓的缓冲区。

我们这里所说的缓冲区，都是用户级缓冲区，printf和fwrite是库函数， write是系统调用，库函数在系统调用的“上层”，是对系统调用的“封装”，但是write没有缓冲区，而 printf和fwrite有，足以说明，该缓冲区是二次加上的，由C标准库提供。

另外fflush函数也在C标准库中，将用户级的缓冲区往系统中刷新：

下面是FILE的代码：
typedef struct _IO_FILE FILE; 在/usr/include/stdio.h

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. */
 char* _IO_read_base; /* Start of putback+get area. */
 char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
  char* _IO_write_ptr; /* Current put pointer. */
 char* _IO_write_end; /* End of put area. */
 char* _IO_buf_base; /* Start of reserve area. */
 char* _IO_buf_end; /* End of reserve area. */
 /* The following fields are used to support backing up and undo. */
 char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
 char *_IO_backup_base; /* Pointer to first valid character of backup area */
 char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */
 struct _IO_marker *_markers;
 struct _IO_FILE *_chain;
 int _fileno; //封装的文件描述符
#if 0
 int _blksize;
#else
 int _flags2;
#endif
 _IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small. */
#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
 /* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */
 unsigned short _cur_column;
 signed char _vtable_offset;
 char _shortbuf[1];
 /* char* _save_gptr; char* _save_egptr; */
 _IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

四、dup 重定向

上面的重定向是将标准输出的fd关掉，然后打开重定向的文件。
而使用dup2函数就不需要关掉标准输出：

dup函数的作用是，返回一个新的文件描述符（可用文件描述符的最小值）newfd，并且新的文件描述符newfd指向oldfd所指向的文件表项。
比如：

文件描述符为1的文件通过dup重定向到文件描述符1上，那么也就相当于文件描述符3对应的文件也是显示器文件，那么向文件描述符3进行write，最终结果也会打印在显示器上。

4.1.使用dup2 完成重定向

dup2有两个参数oldfd和newfd，newfd是oldfd的拷贝，将newfd重定向到oldfd，当整个函数调用成功后。会将newfd关掉，然后让newfd指向oldfd，总之，dup2函数的作用就是让newfd重定向到oldfd所指的文件表项上，如果出错就返回-1，否则返回的就是newfd。所以如果想让原本输出到显示器上的数据重定向到文件中，可以这样写：

4.2.重定向恢复

在进行重定向后，如果想要恢复到重定向之前的状态，可以在重定向之前用dup函数保留该文件描述符对应的文件表项，然后在需要恢复重定向的时候使用dup2重定向到原来的文件表项，以重定向后恢复标准输出为例，如下所示：

4.3.在my_shell中添加重定向功能

其实现原理是在子进程进行程序替换之前将标准输出（1）重定向到打开的文件中。

#include<stdio.h>              
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<ctype.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define SIZE 256
#define NUM 16 //命令行参数的个数

void redirect(char* cmd)
{
  int fd=-1;
  int redirect_count=0;//记录>的个数
  char*file=NULL;
  char*ptr=cmd;
  while(*ptr)
  {
    if(*ptr=='>')
    {
      *ptr++='\\0';
      redirect_count++;
      if(*ptr=='>')
      {
        *ptr++='\\0';
        redirect_count++;
      }
      while(*ptr!='\\0'&&isspace(*ptr))//跳过空格
      {
        ptr++;
      }
      file=ptr;//找到文件名
      while(*ptr!='\\0'&&!isspace(*ptr))//清空文件名后面的空格
      {
        ptr++;
      }
      *ptr='\\0';
      
      if(redirect_count==1){
        //>
        fd=open(file,O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,0644);
      }
      else if(redirect_count==2){
        //>>
        fd=open(file,O_CREAT|O_APPEND|O_WRONLY,0644);   
      }
      else{
        //do nothing!
      }
      //文件已经打开，用dup2重定向
      dup2(fd,1);
      close(fd);
    }//end if
    else if(*ptr=='<')
   { 
      //和重定向>类似
   }
    ptr++;
  }
  
}
int main()                                                                    
{
  char cmd[SIZE];
  const char* cmd_line="[my_shell@VM-0-16-centos ~]# ";
  while(1)
  {
    cmd[0]=0;

    printf("%s",cmd_line);
    fgets(cmd,SIZE,stdin);
    cmd[strlen(cmd)-1]='\\0'; 
    pid_t id=fork();
    if(id<0)
    {
      perror("fork error!\\n");
      continue;
    }
    if(id==0)//子进程
    {
      redirect(cmd);
      char*args[NUM];//将命令字符串分割
      args[0]=strtok(cmd," ");
      int i=1;
	    do    
	    {    
	      args[i]=strtok(NULL," ");    
	      if(args[i]==NULL)    
	      {    
	        break;    
	      }    
	      i++;    
	    }while(1);   
     execvp(args[0],args);
     exit(1);
     }
    int status=0;
    pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
    if(ret>0)
    {
      printf("status code:%d\\n",(status>>8)&0xFF);
    }
  }
  return 0;
}

总结

操作系统提供系统调用接口（open，close，read，write），C语言对系统调用接口进行封装
FILE*是个结构体指针，FILE是个结构体，有两个比较重要的方面：文件描述符和缓冲区（C语言提供）
fd是系统调用，fd是文件描述符表（数组）的下标，里面的内容是文件指针指向文件。系统默认打开0 1 2（标准输入，标准输出，标准错误）
重定向的底层是将fd的指向改变

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