【Linux】基础IO之文件操作（文件fd）——针对被打开的文件

系列文章目录

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前言

浅谈文件的共识

• 1.文件 = 内容 + 属性

• 2.文件分为打开的文件和未打开的文件

• • 1）打开的文件：进程打开的。本质上是研究进程和文件的关系。
• • 文件被打开，就必须先加载到内存中。
• • 一个进程可以打开多个文件，操作系统要对这些文件进行管理，就要先描述，再组织。在内核中，操作系统要管理好这些文件，就必须有这个文件的对象，包含很多的文件属性。

• 2）未打开的文件有很多，操作系统要将这些文件存储好，本质上就是对这些文件进行增删查改的操作！

• • 未打开的文件，在磁盘上放着。

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本文章目标：针对被打开的文件，进行各种深入剖析。

一、 回忆c语言对文件操作的接口

1.fopen接口和cwd路径

先执行一下代码：

  1 #include<stdio.h>2 #include<unistd.h>3 4 int main()5 {6     FILE* fp = fopen("log.txt","w");7     if(fp == NULL)8     {9         perror("fopen");10         return 1;11     }12     printf("pid: %d\n",getpid());13     fclose(fp);14     sleep(1000);                                                15     return 0;16 }

该程序运行起来后，以"w"的方式打开log.txt文件，如果该文件不存在，则会创建一个文件。

运行起来时可以看到该进程的pid已经被打印出来。
ll查看能看到的确存在一个log.txt的文件。

那为什么是在当前目录下创建log.txt文件呢？？？
这是因为一个叫做cwd的东西的存在。

在根目录下的proc目录下，有该进程的当前路径。
即通过ls /proc/进程pid -l 可以看到，该运行中的进程的cwd路径！

并且该cwd路径就是可执行程序所在的路径！

cwd：current work directory——当前工作目录！

所以，fopen以写的方式打开文件，如果文件不存在，就会在该进程的cwd路径下创建一个log.txt的文件！

由此可以得出，如果我们自己把该进程的cwd路径改了，那么它就会在更改后的cwd路径下创建log.txt文件!

怎么改?

用一个接口：chdir()即可更改当前的cwd路径。

chdir("/home/dzt/learning");   

在上面代码的基础上，在main函数开头就增加这一句代码后。

运行起来通过查找cwd路径发现，cwd被修改了！

且在/home/dzt/learning路径下发现：

真就被创建了一个log.txt文件

且在进程对应的工作目录中，不再有log.txt文件。

注意：1.chdir也受权限的约束，作为普通用户，不能将路径修改到非/home/dzt路径下！
2.如果fopen打开的文件带绝对路径，那就按绝对路径来，如果是相对路径，就按该进程的cwd来!

总结：这个小节讲了复习了fopen函数，并且引入了cwd当前工作目录这个概念！

2.fwrite接口和"w"，"a"方法

fwrite的使用方法是：将ptr这个字符串，以size大小，nmemb个长度写入stream文件指针指向的文件中。

w方法的特点是：如果该文件不存在，会创建一个文件。如果该文件存在，会先将该文件清空，再打开！

注意这里的一个细节：

6     const char* message = "Hello Linux\n";                         
17    fwrite(message,strlen(message),1,fp);

执行该函数fwrite时，是否需要strlen(message)+1 ？

答案是不需要的，+1是为了将字符串后面的’\0’也写入文件中，可是：

字符串以’\0’结尾是c语言的规定，关文件操作什么事？！

所以并不需要+1。

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而a方法的作用是，直接在文件的末尾追加字符串。

由此可知，Linux中的 “>” 和 ">>"两个符号的区别一定是一个以"w"方式打开，一个以"a’方式打开的区别！！

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3.fprintf接口和三个默认打开的输入输出流（文件）

fprintf接口比我们常见的printf函数多了一个字符f，默认情况下，printf就是向显示器打印数据。

而Linux下一切皆文件，所以显示器也是一个文件。

而fprintf接口，就是向指定的文件中输入数据。

fprintf(stdout,"%s %d\n",message,123);      

而我们在运行该程序时，会发现显示器中出现了这些信息，这就是被打印到了显示器文件中，而不是打印到其他文件中。

而这三个标准输入输出流，就是对应的：

键盘文件——stdin
显示器文件——stdout
显示器文件——stderr

一旦c程序运行起来，就会默认打开这三个文件。

二、过渡到系统，认识文件调用

文件其实是在磁盘上的，磁盘是外部设备，访问磁盘文件的本质，其实是访问硬件！

2.1看一看文件的系统调用接口——open

使用man 2 手册进行查找open接口的功能
man 2 open

该函数的功能是：打开/创建一个文件或设备。

这里多嘴一句：c语言中的fopen函数，实现也是将这个open函数进行封装得来的。

pathname是文件路径，如果传的是相对路径，就是按进程所在的cwd路径为主。
flags是一个标志位：

这里的标志位有三个：
O_RDONLY：表示只读操作
O_WRONLY：表示只写操作
O_RDWR：表示可读可写

为了更好地进行后面的传参，下面来讲一个比特位传参的方式

看下面的代码：

  1 #include<stdio.h>2 3 #define ONE (1<<0)4 #define TWO (1<<1)5 #define THREE (1<<2)6 #define FOUR (1<<3)7 8 void show(int flags)9 {10     if(flags&ONE)   printf("hello function 1\n");11     if(flags&TWO)   printf("hello function 2\n");12     if(flags&THREE)   printf("hello function 3\n");13     if(flags&FOUR)   printf("hello function 4\n");14 15 }16 17 int main()18 {19     show(ONE);20     printf("\n");21     show(TWO);22     printf("\n");23     show(ONE|THREE);24     printf("\n");25     show(ONE|TWO|THREE|FOUR);                                                                                                               26     printf("\n");27 28     return 0;29 }

上图所示的代码定义了几个宏，分别表示(1<<n位）
传参时如果穿过来的flag是ONE，则会打印function1，
如果传的是ONE|TWO|THREE，则传过去的flag的二进制为：111
此时就能够匹配三个if语句，就会打印出三个function。

通过这个例子就可以理解了，open函数中的flags作为一个标志位，未来会传很多比特位为1的宏，如果传多个，就能达到不一样的效果！

下面看这个例子：

1 #include<stdio.h>2 #include<unistd.h>3 #include<string.h>4 #include<sys/types.h>5 #include<sys/stat.h>6 #include<fcntl.h>7 8 int main()9 {10     // pathname, flags, modes11     int fd = open("log.txt",O_WRONLY); //采用八进制，默认权限位66612 13     if(fd < 0)14     {                                                                                                                                       15         printf("open file error\n");16         return 1;17     }18 19     return 0;20 }

接下来的操作上打开一个文件，因为传的是相对路径，如果按照c语言的fopen函数，如果该文件不存在，那它就会在该进程的cwd路径下创建log.txt文件。

运行后会发现：居然打开失败了！？

因为系统的open函数的O_WRONLY是只读的，并没有创建文件的功能！
要想解决这个问题：只需要

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

增加一个比特位传参即可！

此时就创建出了一个log.txt文件！

注意：为什么log.txt的权限那么奇怪呢？还是一些随机的权限？？？

因为open函数中，第三个函数 mode是权限，我们没有传，就默认是随机的！

int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT, 0666); //采用八进制，默认权限位666      

再传参之后，重新试试，结果如下：

此时就相对正确了，可是，666权限对应的权限位应该是-rw-rw-rw-
明显不同，这是因为权限掩码的存在，默认的umask是2，根据权限掩码和权限的计算规则：

最终权限 = 起始权限 & （~umask）

最终权限就是664–>-rw-rw-r--

如果非要将权限设置成666，就更改权限掩码：

umask(0); 

在全局中有一个umask(2)，在该进程中也有一个umask(0)，所以该文件创建之后其实是听进程中的umask(0)的，因为**就近原则，局部优先，**进程的umask会影响整个进程，但不会影响全局的。

此时log.txt的权限就非常正确了

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总结：这个小节讲了open函数的三个参数：

pathname , flags , mode

2.2 write系统接口

write接口是向文件描述符对应的文件中写入。

文件描述符：file descrpitor(fd)，也就是open函数的返回值，这个文件描述符就是一个文件的标识。

 8 int main()9 {10     umask(0);11     // pathname, flags, modes12     int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT, 0666); //采用八进制，默认权限位66613 14     if(fd < 0)15     {16         printf("open file error\n");17         return 1;18     }                                                                                                                                     19 20     const char* mesg = "Hello Linux";21     ssize_t id = write(fd,mesg,strlen(mesg));22 23     return 0;24 }

此时，向fd文件描述符对应的文件中写入Hello Linux;
结果显而易见，就不展示了，但是当我们将字符串修改成"aaa"时，结果如下：

20     const char* mesg = "Hello Linux";

这个结果跟fwrite函数结果完全不同，fwrite函数是每次打开文件都会清空内容再写入。

所以，只需要小小地操作：

12     int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666); //采用八进制，默认权限位666

O_TRUNC就是truncate的简写。

通过O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC选项，就实现了如果文件不存在就创建，如果文件存在就打开并先清空的逻辑！

所以，O_APPEND，就是追加的逻辑！

访问文件的本质

由此可知，c语言，c++，java等任何其他语言，对文件的操作接口的底层一定是对这些open函数，write函数的封装！！！

可是还有一个问题：open系统调用的返回值是int fd，而fopen函数的返回值是FILE* fp

这两者有什么关系？

每次创建一个进程时，都会在内存中创建一个描述该进程的task_struct对象，包含进程中的各种信息，其中就有一个叫做struct file_struct* files的指针，该指针指向一个struct files struct数组，且该数组中的所有成员类型都是struct file*的指针。

为什么要这样设计呢?

来看右边：

每次打开一个文件时，都会创建一个描述该文件的struct file文件对象，该对象存储文件的各种信息。而该文件对象的地址就恰好被进程中的一个指针数组存储着！！！

所以，为什么open函数的返回值为int fd这个文件描述符，其实就是进程中维护的指针数组存储该文件对象的下标！！

如果该文件对象的被存储在指针数组的2号下标处，打开文件成功后就返回2！（fd）

当我们尝试着打印该文件的fd时，发现结果是3！

这恰好证明了， 该文件的文件描述符一定是放在进程管理的文件对象指针数组的3号下标处！！！

可是，为什么是3呢？

因为前面说过，一个进程创建后，会默认打开三个输入输出流（文件）
这三个输入输出流分别是：

stdin stdout stderr

分别对应的下标是：

0 1 2

 10 int main()11 {12     char buffer[1024];13     ssize_t sz = read(0,buffer,sizeof(buffer));14     //sz返回读取到的个数15     if(sz < 0)16     {17         perror("read fail");18         return 1;19     }20     buffer[sz] = '\0'; // read是按字节读取，如果想把它识别成字符串，就得主动加'\0'                                                          21     printf("%s\n",buffer);22 }

如上就是从0号文件中读取数据，放入到buffer数组中。

运行起来后会发现，结果就是等待输入，等待键盘文件的输入。

read系统接口的注意事项：返回值是返回成功读取到的字符的个数。如果想将读取到的若干字符识别成字符串，需要主动添加’\0’。

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下面再看一组测试代码：

  8 int main(){9     close(1);10 12     const char* msg = "Hello Linux\n";13     write(1,msg,strlen(msg));14     write(2,msg,strlen(msg));                                                                                                               15                                       16 }     

首先close 1号文件后，运行结果只打印了一行msg代码。

前面说过，1号文件是stdout，对应的是显示器文件，2号文件是stderr，对应的也是显示器文件。它们本质上没有区别，那为什么关闭了1号文件，也就是关闭了显示器文件后，通过2号文件仍然能向显示器中打印呢？

1号文件和2号文件虽然都是显示器文件，但是他们对应的struct file*指针不同，也就是说，有两个指针指向显示器文件。
关闭1号文件的本质是，让1号文件对应的指针置空，同时让显示器文件对应的引用计数减减。这个就是close函数的本质操作。

综上：

C语言中将fd（文件描述符）封装成了FILE的结构体，不止是c语言，在任何其他语言中，只要是文件操作的结构体，就一定封装了fd（文件描述符）

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总结

这篇文章讲述了关于文件的基础理解。
针对的是被打开的文件。