纸上流年：Linux基础IO的文件理解与操作
文章目录
- 前言：数字世界的窗口
- 🌇序章
- 🏙️正文
- 一、文件理解
- 二、C语言文件操作
- 2.1、文件打开
- 2.2、文件关闭
- 2.3、文件写入
- 2.4、文件读取
- 三、系统级文件操作
- 3.1、打开 open
- 3.1.1、函数理解
- 3.2、关闭 close
- 3.3、写入 write
- 3.4、读取 read
- 四、小结
- 4.1、高级语言文件操作的本质
前言：数字世界的窗口
在计算机的浩瀚宇宙中，文件如同星辰，承载着信息的光辉与人类智慧的结晶。Linux操作系统作为开源世界的璀璨明珠，其基础IO（输入/输出）机制为我们提供了与这些星辰互动的窗口。
本文将带您走进Linux基础IO的世界，深入理解文件的概念与操作，探索数字与现实交织的美妙。
🌇序章
文件操作是 基础IO 学习的第一步，我们在C语言进阶中，就已经学习了文件相关操作，比如fopen和 fclose，语言层面只要会用就行，但对于系统学习者来说，还要清楚这些函数是如何与硬件进行交互的
调用库函数进行文件操作时的流程
🏙️正文
一、文件理解
先来通过几个问题来理解文件
文件操作的本质是什么？
- 语言层面的文件操作就是直接使用库函数，而事实上，文件操作是
系统层面的问题，就像进程管理一样，系统也会通过先描述，再组织的方式对文件进行管理、操作
只有 C/C++ 这种偏底层的语言才有文件操作吗？
- 并不是，其他语言也支持文件操作，如 Java；在进行文件操作时，不同语言使用方法可能有所不同，但
本质上都是在调用系统级接口进行操作,通过封装实现在不同环境下的文件操作
文件由什么构成？一般文件放在哪里？
- 文件 = 内容 + 属性
- 未使用的文件位于
磁盘，而使用中的文件属性会被加载至内存中 - 本文讨论的是已被加载至内存文件的相关操作
系统是如何区分文件的？
- 文件可以同时被多次使用，OS 为了管理好文件，会像使用
task_struct管理进程一样，通过struct file存储文件属性进行管理 struct file结构体包含了文件的各种属性和链接关系
文件是由谁打开的？
- 由用户创建进程，调用系统级接口，再交给
OS完成文件打开任务，文件写入与读取时也是同理
总结： 真正的文件操作需要结合系统底层学习，而我们之前的文件操作都是 进程 与OS间的交互
二、C语言文件操作
在学习 系统级文件操作 前，需要先回顾一下C语言中的文件操作
2.1、文件打开
FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );通过文件名以指定打开方式，打开文件
打开方式(参数2)
- w 只写，如果文件不存在，会新建，文件写入前，会先清空内容
- a 追加，在文件末尾，对文件进行追加写入，追加前不会清空内容
- r 只读，打开已存在的文件进行读取，若文件不存在，会打开失败
- w+、a+、r+ 读写兼具，区别在于是否会新建文件，只有 r+ 不会新建
若文件打开失败，会返回空 NULL，可以在打开后判断是否成功
注意： 若参数1直接使用文件名，则此文件需要位于当前程序目录下，如果想指定目录存放，可以使用绝对路径
2.2、文件关闭
文件打开并使用后需要关闭，就像动态内存申请后需要释放一样
int fclose ( FILE * stream );关闭已打开文件，只需通过 FILE* 指针进行操作即可
//对上面打开的文件进行关闭
//无论以哪种方式打开，关闭方法都一样
fclose(fp1);
fclose(fp2);
fclose(fp3);fclose(fp4);
fclose(fp5);
fclose(fp6);注意： 只能对已打开的文件进行关闭，若文件不存在，会报错
2.3、文件写入
C语言 对于文件写入有这几种方式：fputc、fputs、fwrite、fprintf 和 snprintf
int fputc ( int character, FILE * stream );int fputs ( const char * str, FILE * stream );size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );int snprintf ( char * s, size_t n, const char * format, ... );前几种方式比较简单，无非就是 逐字符写入、逐行写入 与 格式化写入，这里主要来介绍一下 snprintf
snprintf 是 sprintf 的优化版，增加了读取字符长度控制，更加安全
- 参数1：缓冲区，常写做 buffer 数组
- 参数2：缓冲区的大小
- 参数3：格式化输入，比如 “%d\n”, 10
- 使用 snprintf 函数写入数据至缓冲区后，可以再次通过 fputs 函数，将缓冲区中的数据真正写入文件中
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 32int main()
{FILE* fp = fopen(LOG, "w");if(!fp){perror("fopen file fail!"); //报错exit(-1); //终止进程}char buffer[SIZE]; //缓冲区int cnt = 5;while(cnt--){snprintf(buffer, SIZE, "%s\n", "Hello File!"); //写入数据至缓冲区fputs(buffer, fp); //将缓冲区中的内容写入文件中}fclose(fp);fp = NULL;return 0;
}
得益于格式化控制，可以灵活地向日志文件中写入内容
2.4、文件读取
读取与写入配套出现
int fgetc ( FILE * stream );char * fgets ( char * str, int num, FILE * stream );size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... );int sscanf ( const char * s, const char * format, ...);可以使用 sscanf 按照一定的规则格式化读取字符串 s
#include <stdio.h>int main()
{char s[] = "2025:4:24";int arr[3];char* buffer[4];sscanf(s, "%d:%d:%d", arr, arr + 1, arr + 2);printf("%d\n%d\n%d\n", arr[0], arr[1], arr[2]);return 0;
}
这个函数多用于 序列化与反序列化操作
三、系统级文件操作
回顾完C语言 文件相关操作后，就可以开始系统级文件操作的学习了
3.1、打开 open
首先学习如何直接调用调用系统级函数 open 打开文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); //可以修改权限
3.1.1、函数理解
-
返回值：不同于 FILE*，系统级文件打开函数返回类型为 int，即
文件描述符（ file descriptor ），文件打开失败返回 -1 -
参数1：pathname 待操作文件名，和 fopen 一样
-
参数2：flags 打开选项，open 使用的标记位的方式传递选项信号，用一个 int 至多可以表示 32 个选项
-
参数3：mode 权限设置，文件起始权限为 0666
主要就是参数2有点复杂，使用了 位图 的方式进行多参数传递
可以利用这个特性，写一个关于位图的小demo
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define ONE 0x1
#define TWO 0x2
#define THREE 0x4void Test(int flags)
{//模拟实现三种选项传递if(flags & ONE)printf("This is one\n");if(flags & TWO)printf("This is two\n");if(flags & THREE)printf("This is three\n");
}int main()
{Test(ONE | TWO | THREE);printf("-----------------------------------\n");Test(ONE); //位图使得选项传递更加灵活return 0;
}
数 open 中的参数2正是位图，其参数有很多个，这里列举部分
O_RDONLY //只读O_WRONLY //只写O_APPEND //追加O_CREAT //新建O_TRUNC //清空实际使用时，可以按照位图demo中的方式进行参数传递
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h> //write 的头文件#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 32int main()
{//三种参数组合，就构成了 fopen 中的 wint fd = open(LOG, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); //权限最好设置if(fd == -1){perror("open file fail1");exit(-1);}const char* ps = "Hello System Call!\n";int cnt = 5;while(cnt--)write(fd, ps, strlen(ps)); //不能将 '\0' 写入文件中close(fd);return 0;
}
注意：
- 假若文件不存在，open 中的参数3最好进行设置，否则创建出来的文件权限为随机值
- 继承环境变量表后，umask 默认为 0002，当然也可以自定义-
- 通过系统级函数 write 写入字符串时，不要刻意加上 ‘\0’，因为对于系统来说，这也只是一个普通的字（‘\0’ 作为字符串结尾只是 C语言 的规定）
C语言 中的 fopen 调用open函数，其中的选项对应关系如下
- w -> O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC
- a -> O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND
- r -> O_RDONLY
……
所以只要我们想，使用open时，也能做到只读方式打开不存在的文件，也不会报错，加个O_CREAT参数即可
3.2、关闭 close
close 函数根据文件描述符关闭文件
#include <unistd.h>int close(int fildes);Linux 下一切皆文件
- 包括这三个标准流：
stdin、stdout、stderr - 它们的文件描述符依次为：0、1、2，也可以通过 close(1) 的方式，关闭标准流
文件描述符的分配规则为最近的且未被使用的数字，下一章重定向会对其详细介绍。
3.3、写入 write
write 函数的返回值类型有点特殊，但使用方法与fwrite基本一致
#include <unistd.h>ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);向文件中写入字符串，前面已经演示过了~
3.4、读取 read
read 读取很淳朴，只支持指定字符数读取
文件读取时，同样是借助缓冲区进行读取
#include <unistd.h>ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h> //write 的头文件#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 1024int main()
{int fd = open("test.c", O_RDONLY);if(fd == -1){perror("open file fail1");exit(-1);}int n = 50; //读取50个字符char buffer[SIZE];int pos = 0;while(n--){read(fd, (char*)buffer + pos, 1);pos++;}printf("%s\n", buffer);close(fd);return 0;
}
这些系统级函数成功使用的前提是文件描述符合法
四、小结
最后再来简单小结一下文件的本质（结合系统级函数）
4.1、高级语言文件操作的本质
只要是在 Linux 平台中编写的程序，无论是 Java、Python、PHP 还是其他语言，在进行文件相关操作时，其文件操作函数都有对系统级函数进行封装，也就是说，要想与硬件（磁盘）打交道，必须经过 系统调用 -> OS -> 驱动 这条路线，无法直接与硬件进行交互
本篇关于Linux的文件理解与操作的介绍就暂告段落啦，希望能对大家的学习产生帮助，欢迎各位佬前来支持斧正！！！
