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【Linux】基础IO篇

文章目录

  • C文件接口
  • 系统调用文件接口
  • 文件描述符
    • 是什么
    • 分配规则
    • 内核角度理解
      • 从task_struct的角度理解文件描述符在内核当中是什么
      • 理解文件描述符和文件流指针的区别
  • 重定向
    • 符号
    • 接口
    • 内核角度理解重定向
    • 重定向的代码验证
  • 动态库 && 静态库
    • 动态库
    • 静态库
  • 简单的文件系统
  • 软链接 & 硬链接
    • 软链接
    • 硬链接

C文件接口

  1. fopen函数

FILE* fopen(const char* path,const char* mode)
参数含义:
path:

带路径的文件名称(也可以不带路径,此时默认在当前路径下查找)

mode:

r :只读模式打开,文件流指针指向文件的起始位置
r+:可读可写方式打开,文件流指针指向文件的起始位置
w:只写模式打开,被打开文件若存在,则截断文件(清空文件内容),若不存在,创建该文件
w+:可读可写模式打开,,被打开文件若存在,则截断文件(清空文件内容),若不存在,创建该文件
a:追加写。若文件存在,文件流指针指向文件的末尾进行写。若不存在,创建文件
a+:可以读也可以 追加写。文件存在,读的位置被初始化到文件头,追加写的时候依旧是在文件末尾追加 ,文件不存在,创建该文件

返回值

成功:返回文件流指针FILE*
失败:返回NULL

对fopen的测试

  • 场景一:通过r方式打开一个文件,观察其返回值的情况
    在这里插入图片描述
    插播:perror函数
    在这里插入图片描述
    详解:
    errno是系统当中的一个错误码,当我们在调用一个函数发生错误的时候,系统会给errno赋值为对应的错误码,该错误码是一个整型数据
    每一个错误码都对应着一个错误信息 error msg
    perror函数的作用就是将errno中的值进行解析,解析完毕后,打印输出。

  • 场景二:将上述的打开方式更改为w,查看能否打开成功
    在这里插入图片描述
    观察发现,当前可执行程序的路径下会多出来一个1.txt文件
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  1. fwrite函数

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

ptr:要往文件中写的内容
size:定义往文件中写的时候,一个快是多大,单位是字节(通常情况下都是1)
nmemb:期望写多少块
stream:文件流指针,指向被写入的文件

返回值

返回成功读入文件的块的个数

  1. fread函数

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

ptr:从文件中读出来的数据存放在ptr中(该内存由程序员自己提供,必须合法)
size:定义从文件中读的时候,一个块是多大,单位是字节(通常定义1个字节)
nmemb:期望读多少块
stream:文件流指针(指向被读取的文件)

返回值

返回成功读入的文件块的个数

对函数fwrite&fread的测试

  1. 情景一:提前向文件1.txt中写入hello world ,然后使用w的方式打开文件并写入 I like Linux!
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  2. 情景二:提前向文件1.txt中写入hello world ,然后使用a的方式向文件中写入 I like Linux!
    在这里插入图片描述
    运行后查看1.txt的内容
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  3. 情景三:使用a+的方式打开文件,将文件中的内容读取出来
    在这里插入图片描述
    结果:
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    画图解释一下原因:
    在这里插入图片描述
    那么这种情况应该如何解决??
    很简单,就是在读之前将我们的文件流指针指向文件的首部。这样就可以避免上述情况的发生
    如何移动呢?那就是接下来的主角fseek函数的功能

  4. fseek函数

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

stream:文件流指针
offset:偏移量
whence:将文件流指针偏移到什么位置

SEEK_SET:文件头部
SEEK_CUR:当前文件流指针的位置
SEEK_END:文件末尾

返回值

成功 -----> 0
失败 -----> -1

我们在上述的基础上,加入fseek函数再查看结果
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结果可以正常输出
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注意:为什么读在每次读一块的时候,期望读到的块数是数组长度-1呢?
解释:
从文件中期望读多少字节,会有三种情况:
情况一:文件字节数量和期望字节数量一致
情况二:文件字节数量 大于 期望读的字节数量
情况三:文件字节数量 小于 期望读的字节数量

我们仔细分析前两种情况,如果我们提供的是数组的长度,而没有对其-1,那么在这两种情况下,数组会被存满并且数组的最后一个位置的\0也不存在了,而是被文件中的某个字符占据了,这样,我们在使用从文件中读取出来的内容的时候,也就会出错。

所以,对数组长度-1的目的就是在字符数组当中预留\0的位置,防止在后续访问的时候越界访问,导致程序崩溃。
6. fclose函数

int fclose(FILE* stream)
参数

要关闭的文件流指针

返回值

成功: 0
失败:EOF

系统调用文件接口

  1. open

int open(const char* pathname,int flags)

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

pathname:要打开或创建的目标文件
flags:打开文件时,可以传入多个参数选项,用下面的一个或者多个进行或运算,构成flags

必须指定一个且只能指定一个的常量

O_RDONLY:只读打开
O_WRONLY:只写打开
O_RDWR:读写打开

其他常量

O_CREAT:若文件不存在,则创建文件,需要使用mode选项来指明新文件的访问权限
O_APPEND:追加写

mode:当创建一个新文件的时候,指定新创建文件的权限,传递一个8进制的数字(e.g:0664)

返回值

成功:新打开的文件描述符,文件描述符又可以称为文件操作句柄,文件句柄
失败:-1

  1. write

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

fd:文件描述符
buf:将buf指向的内容写到文件中去
count:期望写多少个字节

返回值

返回写入的字节数量

  1. read

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

fd:文件描述符
buf:将文件中读到的内容写到buf所指向的空间中去
count:期望读多少字节

返回值

返回读到的字节数量

  1. lseek

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

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5. close

int close(int fd)
关闭文件描述符

综合测试:

#include #include #include #include int main(){    int fd = open("1.txt",O_RDWR|O_CREAT,0664);    if(fd < 0)    { perror("open"); return 0;    }    const char* str = "I like Linux!";    write(fd,str,strlen(str));    lseek(fd,0,SEEK_SET);    char buf[1024] = {0};    read(fd,buf,sizeof(buf)-1);    printf("%s\n",buf);}

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文件描述符

是什么

是一个小正数,没有负数。
可以在/proc/进程号/fd文件夹下查看,对应的就是它的文件描述符

验证:

  1. 打印观察文件描述符的值
  2. 查看/proc/[pid]/fd下的文件描述符信息
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分配规则

最小未使用
通过代码验证一下:
验证思路:我们知道标准输出对应1号文件描述符,我们先将标准输出关闭,然后再通过open函数打开一个文件。查看该文件的文件描述符
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内核角度理解

从task_struct的角度理解文件描述符在内核当中是什么

  1. struct task_struct :PCB进程控制块
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  2. 在 struct task_struct结构体中有一个成员变量是一个结构体指针files,该指针指向的是一个文件描述信息的结构体
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  3. 我们本次研究的主要对象就是files指向的那个结构体,所以,我们先找到该结构体的定义处
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  4. 好的,到这一步是时候综合理解一下了。我们先通过画图的方式进行描述
    在这里插入图片描述
    总结:文件描述符在内核当中本质上就是task_struct结构体中的一个结构体指针files所指向的结构体struct files_struct中的结构体指针数组fd_array的数组下标

扩展

一个进程最多可以打开多少个文件描述符?

解答:

  1. 系统当中针对一个进程打开的文件描述符的数量是有限的
  2. 通过ulimit -a可以查看“open files”的大小,而“open files”的大小就是限制一个进程可以打开的文件描述符的数量
  3. 我的机器中看到的“open files”的大小是1024,也就是意味着我的机器创建出来的进程最大可以打开的文件数量是1024
  4. open fiels”的大小并不是没有办法改变。可以通过 ulinit -n [数字] 进行改变
    e.g:ulimit -n 10000 就是将一个进程打开文件描述符的数量改为了10000

理解文件描述符和文件流指针的区别

  1. 从源码的角度理解,文件流指针(struct _IO_FILE)是什么
  • 找到对应的源代码 /usr/include/stdio.h
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  • 我们发现FILE原来只是一个被重命名后的名称,真正的结构体是struct _IO_FILE,我们转到定义处发现它属于该路径下的libio.h
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    struct _IO_FILE的应用
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    图示解析:
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  1. 将文件流指针和文件描述符联系起来
    2.1读写缓冲区问题
    struct _IO_FILE{…}这个结构体是C标准库当中的结构体,而该结构体当中维护的读写缓冲区就是进程终止部分提到的exit函数处理的那个缓冲区。
    2.2 文件描述
    文件流指针对应的结构体struct _IO_FILE 这个结构体内部的成员变量 int _fileno保存了对应的文件描述符的数值
    代码验证:
    前提:使用fopen打开一个文件1.txt,输出FILE结构体内的成员变量 fileno ,与/proc/[pid]/fd下的文件描述符对比
#include#includeint main(){    FILE* fp = fopen("1.txt","w+");    if(NULL == fp)    { perror("fopen"); return 0;    }    printf("_fileno is %d\n",fp->_fileno);    while(1)    { sleep(1);    }    return 0;}

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图示解析:
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重定向

符号

  1. >
    清空重定向
  2. >>
    追加重定向

接口

int dup2(int oldfd , int newfd);
作用:将newfd的值重定向为oldfd,也即newfd拷贝oldfd
参数:两个参数均是文件描述符
返回值

成功(做两件事情)

1、关闭newfd
2、让newfd指向oldfd对应的 struct file*

失败(两种情况)

1、如果oldfd是一个非法或无效的文件描述符,则重定向失败,newfd没有变化
2、如果oldfd和newfd的值相等,则什么也不干

内核角度理解重定向

图示理解
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重定向的代码验证

重定向标准输出到某一个文件当中

#include #include #include int main(){    int fd = open("1.txt",O_RDWR|O_CREAT,0664);    if(fd < 0)    { perror("open:"); return 0;    }    dup2(fd,1);    printf("kkkkkkk!\n");    return 0;}

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动态库 && 静态库

库的概念
静态库&&动态库都是程序代码(二进制文件)的集合。一般为了方便将程序提供给第三方使用,就是将程序编写成为库文件提供给第三方(用户)使用。
【Linux】基础IO篇

动态库

  1. 特征
    Windows系统下:没有前缀,后缀为dll
    Linux系统下:前缀为lib,后缀为.so
  2. 生成动态库
    生成动态库的代码当中不需要包含main函数(程序入口函数)
    使用gcc/g++ 编译器(注:需要在普通的编译命令下增加两个命令行参数)

参数1:-fPIC 产生位置无关码
参数2:-shared 生成共享库格式

  1. 场景模拟

生成动态库 && 使用动态库

  1. 编写生成动态库所需要的文件(这里重点在于测试动态库,编写的文件比较简单,具有说明性即可)
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  2. 编写Makefile文件,用来生成动态库
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  3. 创建用户文件夹,在用户的程序中使用动态库文件
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  4. 编写main.c对应的Makefile文件
    在这里插入图片描述

  5. make后,运行生成的可执行程序,查看运行结果
    出错了!!!在这里插入图片描述
    分析出错原因:
    在这里插入图片描述
    本质上的原因就是程序在运行的时候无法找到动态库

  6. 下面我们就介绍一下如何找到动态库

  7. 让程序找到动态库的三种方式
    4.1将动态库放到可执行程序的路径下(可以解决问题,但是不推荐)
    在这里插入图片描述
    4.2配置 LD_LIBRARY_PATH环境变量
    LD_LIBRARY_PATH:一个库文件的环境变量,在~/.bash_profile或者 ~/.bashrc文件中
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    下面再次运行test_so
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    4.3放到系统库的路径下:/lib64
    极力不推荐,不要将系统的库文件与用户使用的糅合在一块
    不必尝试,极力不推荐!!

静态库

  1. 特征
    Windows系统:没有前缀,后缀为.lib
    Linux系统:前缀为lib,后缀为.a
  2. 生成静态库文件(两个阶段)
    2.1 第一阶段
    使用gcc/g++将源码编译成为目标程序(.o文件)
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    2.2 第二阶段
    使用 ar -rc 命令编译目标程序为静态库
    ar -rc [静态库文件名称] [目标程序]
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    2.3 注意事项
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    3 . 场景模拟
    创建user文件夹使用该静态库,观察结果
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    程序正常运行!!

简单的文件系统

  1. ls -l 命令可以列出当前路径下的所有文件&&文件夹的详细信息
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    既然文件有这么多的信息,我们知道所有的信息都要存储。
    文件的内容势必会被存放在磁盘当中
    描述文件属性信息的内容也是需要保存在磁盘当中
  2. Linux ext2文件系统
    2.1图示
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    详述每一个模块:
  • 超级块(Super Block)
    存放文件系统本身的结构信息。记录的主要信息有:block 和 inode的总量,未使用的block 和inode的数量,一个block和inode的大小,最近一次挂载的时间,最近一次写入数据的时间、最后一次检查磁盘的时间等其他文件系统的信息。
    super Block的信息被破坏,可以说整个文件系统结构就被破坏了
  • GDT,块组描述符
    描述块组属性信息
  • 块位图(Block Bitmap)
    记录Data block中哪个数据块已经被占用,哪个数据块没有被占用
  • 存储文件内容(Data blocks)
    画图理解块位图与Data blocks之间的关系
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  • inode位图(inode Bitmap)
    每个bit表示一个inode是否空闲可用
  • i节点表(inode table)
    存放文件属性,如文件大小、所有者、最近修改时间等
    2.2 创建一个新文件主要的4个操作
    我们以下图为例进行分析
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    步骤1:存储属性
    inode节点号查看:ll -i 命令列表中第一个就是inode节点号
    先找到一个空闲的 i 节点(265458)。内核将文件信息记录到其中
    步骤2:存储数据
    该文件需要存储到3个磁盘块,内核找到了3个空闲块(300,500,800),将内核缓冲区的第一块数据复制到300,下一块复制到500,以此类推
    步骤3:记录分配情况
    文件内容按顺序300 500 800 存放,内核在inode上的磁盘分布区记录了上述块列表。
    步骤4:添加文件名到目录
    新的文件名ABC,内核将入口(265458,ABC)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 & 硬链接

软链接

  1. 是什么
    目标文件的快捷方式

  2. 如何生成软链接文件
    使用命令 ln -s 源文件 软链接文件

  3. 使用的注意事项
    3.1修改软链接文件,源文件也会被修改,修改源文件,软链接文件也会被改变
    3.2源文件如果被删除,软链接文件还在的,修改软链接文件。会重新建立源文件,重新建立链接关系(这种情况慎重考虑,如果之前的源文件在程序中作用很大,删除后,通过这种方式新生成的源文件与原来的已经不一样了。可能会导致程序崩溃)
    建议:在删除源文件的时候,将软链接文件也一并删除掉,以防后患

  4. 结合文件系统理解
    4.1软链接文件和源文件是拥有不一样的节点号的
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硬链接

  1. 是什么
    目标文件的替身
  2. 生成方式
    使用命令 ln 源文件 硬链接文件
  3. 结合文件系统理解
    3.1源文件与硬链接文件的inode节点号相同
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    3.2多个文件引用同一个inode节点的时候,inode节点内部的引用计数会++
    当文件删除的时候,引用计数会–,直到引用计数减为0的时候,才会释放inode节点
    模拟:将源文件test.c删掉,查看硬链接文件的情况
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以上就是基础IO篇的相关总结,感觉对自己有帮助的老板们还请一键三连~~感谢感谢

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