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• 一、C语言中的文件接口
• • 1.1 fopen
  • 1.2 fwrite
  • 1.3 fseek
  • 1.4 fread
  • 1.5 fclose
  • 1.6 stdin&stdout&stderr
• 二、系统文件IO
• • 2.1 open
  • 2.2 write
  • 2.3 lseek
  • 2.4 read
  • 2.5 close
• 三、文件描述符fd
• • 3.1 概念
  • 3.2 文件描述符的分配规则
  • 3.3 一个进程可以打开多少个文件描述符
  • 3.4 深入理解文件描述符与文件流指针
  • 3.5 重定向
• 四、动态库和静态库
• • 4.1 概念
  • 4.2动态库
  • 4.3 静态库
• 五、简单文件系统
• • 文件元数据
  • 理解inode
  • 软链接与硬链接

一、C语言中的文件接口

在学习Linux的基础IO之前，先回顾一下C语言中的文件操作

1.1 fopen

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

• 功能：打开文件
• 返回值：打开成功返回文件流指针，失败则返回NULL
• 参数：
  path，要打开文件的路径，若不指定则默认打开可执行程序所在路径下文件
  mode，文件的打开方式

fopen打开文件的方式

• r 只读方式打开文件
• r+ 可读可写方式打开文件
• w 以只写方式打开文件，若文件存在则清空内容，不存在则创建文件
• w+ 可读可写方式打开文件，若文件存在则清空其内容，不存在则创建文件
• a 追加写，若文件不存在则创建文件，文件存在，文件流指针指向文件末尾进行写
• a+ 可以读，可追加写，若文件不存在则创建文件，读的位置初始化到文件头，写的位置从文件末尾开始
  在实际应用中，若文件读取或写入不成功，要先查看打开方式是否正确

程序：

运行结果：

1.2 fwrite

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE*stream);

• 功能：向文件写入数据
• 返回值：成功写入的文件快的个数
• 参数
  ptr：要写入文件的内容
  size：写入时，一个块的大小，单位字节（通常定义1个字节）
  nmemb：写入多少块
  stream：文件流指针

程序

1.3 fseek

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence)

• 函数功能：移动文件流指针位置
• 返回值：成功返回0，失败返回-1
• 参数
  stream：文件流指针
  offset：偏移量
  whence：将文件流指针移动到什么位置

whence常用的几个参数

1. SEEK_SET 文件头部
2. SEEK_CUR 当前文件流指针位置
3. SEEK_END 文件末尾

1.4 fread

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream)

• 函数功能：从文件中读取数据
• 返回值：成功读入的文件块的个数
• 参数
  ptr：要写入的位置
  size：读取文件时，一个块的大小
  nmeb：读取多少块
  stream：文件流指针

程序

所以正确的做法是，先移动文件流指针到文件开头位置，再读取，如图：

1.5 fclose

int fclose(FILE *fp)

关闭文件流指针，在写入或读取结束后，要在程序中关闭文件流指针，否则会造成文件句柄泄漏，持续泄露，最终会导致进程不能打开新的文件。
下面是一个完整程序，包括文件的打开，写入，移动文件流指针，读取，移动文件流指针：

#include#includeint main(){    //1.文件打开    FILE*fp=fopen("1.txt","w+");    if(fp==NULL)//文件打开失败    { perror("fopen");    }    else//文件打开成功    { printf("Open success...\n");    }    //2.写入    const char*w_word={"Never say never."};    size_t w_size=fwrite(w_word,1,strlen(w_word),fp);    printf("write size:%ld\n",w_size);    //3.移动文件流指针位置    fseek(fp,0,SEEK_SET); //4.读    char r_word[100]={0};    size_t r_size=fread(r_word,1,sizeof(r_word)-1,fp);    printf("read size:%ld\n",r_size);    printf("%s\n",r_word);    //5.关闭文件流指针    fclose(fp);    return 0;}

程序运行结果：

1.6 stdin&stdout&stderr

C进程会打开三个输入输出流，分别是stdin，stdout，stderr
这里先写一个程序，让其一直处于运行状态，并通过getpid接口获取到进程号，如图：

根据拿到的进程号查看该进程在proc目录中的fd文件,如图：

fd实际上就是文件描述符，0、1、2三个描述符对应stdin，stdout，stderr。
可以查看"stdio.h"头文件中的定义：

二、系统文件IO

2.1 open

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

• 头文件

#include #include #include 

• 函数功能：打开文件
• 返回值：打开成功返回文件描述符，打开失败返回-1
• 参数
  pathname：文件的路径
  flags：打开方式
  mode：创建的文件权限，传一个8进制数字（如：0664）

open的打开方式

1. O_RDONLY：只读打开
2. O_WRONLY：只写打开
3. O_RDWR：可读可写
   前三个选项只能指定一个
4. O_CREAT：
5. O_APPEND

这些方式若选取多个，使用“或”运算连接，如："O_RDWR | O_CREAT"表示以可读可写方式打开，若文件不存在则创建文件。
程序

上面和程序打开失败，因为当前路径没有该文件，应该先创建文件，或者改变打开方式，如：

2.2 write

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)

• 函数功能：向文件写入内容
• 返回值：成功写入文件的字节数
• 参数
  fd：文件描述符
  buf：将buf指向的内容写入文件
  count：期望写入多少字节

程序

2.3 lseek

 off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence)

• 函数功能：重新定位读/写文件偏移量
• 返回值：移动成功，返回偏移的位置，单位字节；调用失败返回-1
• 参数
  fd：文件描述符
  offset：偏移量，单位字节
  whence：要便宜到什么位置

wehence常用参数

• SEEK_SET 文件头部
• SEEK_CUR 当前文件读取或写入位置
• SEEK_END 文件尾部

2.4 read

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

• 函数功能：读取文件内容
• 返回值：从文件中读取的字节数
• 参数
  fd：文件描述符
  buf：读取的内容保存到buf中
  count：期望读多少字节

程序

2.5 close

int close(int fd)

关闭文件描述符
包括文件打开、写入、读写位置偏移、读取、关闭文件描述符的程序：

#include#include#include#includeint main(){    //1.打开文件    int fd =open("1.txt",O_RDWR | O_CREAT,0664);    if(fd<0)    { perror("open"); return 0;    }    printf("Open success...\n");    //2.写入    const char* w_word="hello linux!";    write(fd,w_word,strlen(w_word));    //3.移动读取位置    lseek(fd,0,SEEK_SET);    //4.读取    char r_word[100]={0};    read(fd,r_word,sizeof(r_word)-1);    printf("%s\n",r_word);    //关闭文件描述符    close(fd);    return 0;}

三、文件描述符fd

3.1 概念

通过一个程序观察文件描述符
先获取进程的pid

在"/proc"路径下根据进程号查看对应进程的fd文件，可以查看一个进程打开的文件描述符：

可以看到，该进程打开了4个文件描述符，前0、1、2依次是标准输入、标准输出、标准错误， 3号是进程中使用open接口打开的文件。
我们知道，每个进程都有一个task_struct结构体用于保存进程的信息，task_struct结构体中有一个指针*files,这个指针指向一张表files_struct，该表最重要的部分就是包含一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针，所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。
其关系如图：

Linux内核源码sched.h中有对files_struct的声明，如图：

该结构体是保存进程打开的文件信息的。

3.2 文件描述符的分配规则

文件描述符不是固定分配的，而是按照最小未使用原则分配，看下面这个程序：

从这个程序我们可以看出，文件描述符并不是固定分配的，即使是0、1、2也是如此，文件描述符按照最小未使用原则进行分配。

3.3 一个进程可以打开多少个文件描述符

• 系统当中一个进程打开文件描述符的数量是由限制的，可以通过"ulimit -a"指令查看，如图：
  
  这里的"open files"的大小就是一个进程可以打开文件描述符的数量
• "open files"的大小可以通过ulimit -n [num]修改，eg:ulimit -n 10000,将一个进程可以打开的文件描述符数量限制为10000

3.4 深入理解文件描述符与文件流指针

查看文件流指针FILE的定义

在"stdio.h"头文件中的搜索"FILE"，查看结果如下：

从这里可以看出，文件流指针FILE本质上就是_IO_FILE，即C标准库中的一个结构体
再查找"struct _IO_FILE"结构体的定义：

最终在libio.h头文件中找到_IO_FILE结构体的定义：

这里=="_IO_FILE"结构体的成员变量"_fileno"保存的正是文件描述符的数值==
通过程序也可以验证这一点：

用一句话概括文件流指针与文件描述符的关系就是：文件流指针指向的结构体_IO_FILE内部的成员变量_fileno保存了文件描述符的数值。

3.5 重定向

符号

• >> 追加重定型
• > 清空重定向

使用dup2系统调用进行重定向

int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2的两个参数均是文件描述符，含义是将newfd的值重定向为oldfd，即即newfd对应的文件指针指向原来oldfd指向的文件。
程序：

四、动态库和静态库

4.1 概念

静态库与动态库都是二进制的程序代码的集合。将程序编写成库提供给第三方使用，这样做的好处是不会造成源码泄漏，而且调用者不用关心内部实现。

• 静态库（.a）:程序在编译链接的时候把库的代码连接到可执行文件当中，运行时不再需要静态库。Linux中：前缀为"lib"，后缀".a"；Windows中：后缀".lib"。
• 动态库（.so）：程序在运行的时候才去链接动态库的代码，多个程序共享使用库的代码。Linux中：前缀为"lib"，后缀".so"；Windows中：后缀".lib。

4.2动态库

生成动态库

• shared：表示生成共享格式
• fPIC：产生位置无关码
• 动态库名称规则：libxxx.so

使用动态库——编译
先写一个程序，调用库中的接口

如果直接编译会有这样的报错

正确的编译指令
L：链接库所在路径
l：链接动态库，后面紧跟库名，没有空格

此时main_test依赖的库中已经有我们自己生成的库。

使用动态库——运行
如果直接运行编译生成的可执行程序，程序运行失败

为什么会这样呢？
通过ldd指令查看可执行程序依赖的库，发现是因为无法找到程序所链接的库的位置。如图：

那么有什么办法能让程序找到动态库呢？

1. 将动态库拷贝到可执行程序的目录下（不推荐)

2. 更改"LD_LIBRARY_PATH"环境变量，将我们生成的动态库的路径添加到该环境变量中。
   
   这个环境变量可以在"~/.bshrc"文件中修改，完成以后别忘记source一下，让修改生效。

3. 将生成的库放到系统库路径下：/lib64（极不推荐）

我们采取修改环境变量的方法，修改之后再通过ldd查看

运行程序，打印成功：

4.3 静态库

生成
静态库的生成有两个阶段

1. 用gcc -c 指令把源文件编译成.o的二进制文件
   
   
2. 通过ar -rc 指令将将.o文件编译成静态库
   ar是gnu归档工具，rc表示（replace and creat）
   此时，可以通过ar -tv指令查看静态库中的目录列表，即包含了哪些二进制文件
   t：列出静态库中的文件
   v：verbose 详细信息
   

使用

在编译可执行程序的时候，如果使用了静态库，静态库会编译到可执行程序中，没有可执行程序依赖动态库的问题。

五、简单文件系统

文件元数据

使用ls -l或ll查看文件详细信息内容如下

每行有7项内容

1. 模式
2. 硬链接数
3. 文件所有者
4. 文件所属组
5. 文件大小（单位：字节）
6. 最后修改时间
7. 文件名

还可以使用stat指令查看更详细的文件信息

理解inode

Linux ext2文件系统，按块儿划分，硬盘分区被划分为一个一个的block，如图

文件在磁盘中是离散式存储在Data blocks（数据区）中的，所以用Block Bitmap中的一个比特位来记录Data blocks中哪个数据块已经被占用，那个数据块没有被占用，分别用0、1表示。
即inod节点表中的一个节点就保存了一个文件的存储位置等信息，所以一个inode节点可以代表一个文件。

创建一个文件的4个操作：

1. 存储属性
   内核先找到一个空闲的i节点，如：10001。内核把文件信息记录到其中。
2. 存储数据
   假设该文件需要存储在三个磁盘块，内核找到了三个空闲块：100，300，500。将内核缓冲区的数据块分开拷贝到三个数据块
3. 记录分配情况
   文件内容按顺序100，300，500存放。内核在inode上的磁盘分布区记录了上述块列表。
4. 添加文件名到目录
   设文件名为xxx。内核将入口（10001，xxx）添加到目录文件。文件名和inode之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来。

软链接与硬链接

软链接
软链接可以看成源文件的快捷方式，生成方法：

1. 修改源文件，软链接文件也会被修改：修改软链接文件，源文件也会被修改
2. 删除源文件，软链接文件还在，但其内容已经不存在，若此时再修改软链接文件，又会生成新的源文件，但此时源文件内容已经发生改变。所以一般删除源文件时要同时删除软链接文件。

硬链接
硬链接可以当作源文件的替身

查看文件信息

可以看出，硬链接与源文件的节点号相同，状态信息也完全相同。
事实上，我们在删除一个文件的时候做了两件事

1. 在目录中删除文件记录
2. 硬链接数-1，如果链接数为0，则释放该文件对应的磁盘
   
   如上图所示，删除test的硬链接文件后，文件的硬链接数-1。