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Linux修炼：基础IO(一)

news 2025/10/24 16:23:16

Hello大家好！很高兴我们又见面啦！给生活添点passion，开始今天的编程之路！

我的博客：<但凡.

我的专栏：《编程之路》、《数据结构与算法之美》、《C++修炼之路》、《Linux修炼：终端之内洞悉真理》、《Git 完全手册：从入门到团队协作实战》

感谢您打开这篇博客！希望这篇博客能为您带来帮助，也欢迎一起交流探讨，共同成长。

1、回顾

2、回顾C语言中的文件操作

2.1、C语言文件打开方式

2.2、基本语法

2.3、常用打开模式

2.4、示例代码

2.5、错误处理

2.6、文件关闭

3、系统文件IO

3.1、IO接口

低级IO接口

标准IO库（C语言阶段学习过）

3.2、Linux系统下通过命令访问文件

3.3、格式化输入与输出

3.4、打印到显示器的多种方式

3.5、C语言的文件操作接口与系统调用

3.6、文件的管理方式

3.7、文件描述符的分配规则

3.8、输入重定向和输出重定向

1、回顾

我们在学习C和C++时就接触过IO了，现在我们把过去学习的一些知识再回顾一下。

文件等于内容加属性，我们想访问一个文件，就得打开它，打开文件就是把文件从磁盘加载到内存中。也就是说，如果一个文件没被打开，他就在磁盘上，如果文件被打开了，他就加载到了内存中。

这个打开是由系统执行的。用户通过bash，启动进程，进程通过操作系统，执行系统调用，打开了文件。

我们狭义理解的文件是存储在磁盘中的。磁盘作为外设，每次从磁盘中读取文件都是对外设的输入和输出，简称IO。

尽管我们之前学过C/C++的文件操作，但是C/C++提供的文件操作接口，并不能直接进行文件读写操作，这些接口本质上还是调用了系统调用接口。

2、回顾C语言中的文件操作

2.1、C语言文件打开方式

在C语言中，文件操作主要通过标准库函数 fopen 实现。该函数用于打开文件并返回文件指针，供后续读写操作使用。

2.2、基本语法

文件打开的基本语法如下：

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

filename：要打开的文件名（包含路径）
mode：文件打开模式

2.3、常用打开模式

以下是最常用的文件打开模式：

读取模式

"r"：以只读方式打开文本文件，文件必须存在
"rb"：以只读方式打开二进制文件，文件必须存在

写入模式

"w"：以只写方式创建文本文件，若文件存在则清空内容
"wb"：以只写方式创建二进制文件，若文件存在则清空内容
"a"：以追加方式打开文本文件，若文件不存在则创建
"ab"：以追加方式打开二进制文件，若文件不存在则创建

读写模式

"r+"：以读写方式打开文本文件，文件必须存在
"rb+"：以读写方式打开二进制文件，文件必须存在
"w+"：以读写方式创建文本文件，若文件存在则清空内容
"wb+"：以读写方式创建二进制文件，若文件存在则清空内容
"a+"：以读写方式打开文本文件，写入时追加，若文件不存在则创建
"ab+"：以读写方式打开二进制文件，写入时追加，若文件不存在则创建

2.4、示例代码

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以只读方式打开文本文件fp = fopen("example.txt", "r");if(fp == NULL) {perror("Error opening file");return 1;}// 文件操作代码...fclose(fp); // 关闭文件return 0;
}

2.5、错误处理

fopen 函数在失败时会返回 NULL，因此应该检查返回值：

FILE *fp = fopen("nonexistent.txt", "r");
if(fp == NULL) {perror("Error");// 处理错误
}

2.6、文件关闭

使用 fclose 函数关闭已打开的文件：

fclose(fp);

不关闭文件可能导致数据丢失或资源泄漏。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main()
{FILE* fp=fopen("log.txt","w");if(!fp){perror("fopen");return 1;}while(1){sleep(1);}fclose(fp);return 0;
}

每个进程都有自己的当前工作路径，当我们调用fopen时，尽管我们只给了一个文件名，但是fopen内部会先获取当前进程的cwd，然后再当前进程的工作路径中创建文件。如果我们使用chdir更改当前工作路径，那么新建的这个文件就会直接新建到指定路径下。

所以说，想到打开文件，必须要先找到文件，那就需要知道文件的路径和文件名，因此进程必须要有cwd。就比如在C语言阶段，我们就直到#include<>是编译器（进程）现在系统路径找，找不到了再在当前路径找，而#include""直接在当前路径找。

3、系统文件IO

3.1、IO接口

Linux系统提供了多种IO接口，用于处理文件、设备、网络等数据的输入输出操作。这些接口涵盖了从低级到高级的不同层次，满足不同场景的需求。我们这期先介绍低级（底层）系统接口。

低级IO接口

低级IO接口通常直接调用系统调用，提供最基本的文件操作功能：

open()：打开或创建文件
read()：从文件描述符读取数据
write()：向文件描述符写入数据
close()：关闭文件描述符
lseek()：移动文件指针位置

示例代码：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int fd = open("file.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
char buffer[1024];
read(fd, buffer, sizeof(buffer));
write(fd, "Hello", 5);
close(fd);

我们C语言的文件接口，本质上也是调用了这些系统调用接口。

标准IO库（C语言阶段学习过）

标准IO库（stdio）在低级IO基础上提供了缓冲功能，提高了IO效率（下期会介绍为什么提高了IO效率）：

fopen()：打开文件流
fread()：从文件流读取数据
fwrite()：向文件流写入数据
fclose()：关闭文件流
fseek()：移动文件流指针

示例代码：

#include <stdio.h>FILE *fp = fopen("file.txt", "r+");
char buffer[1024];
fread(buffer, 1, sizeof(buffer), fp);
fwrite("World", 1, 5, fp);
fclose(fp);

文件分为文本文件和二进制文件。文件可以看成一维数组，因为文本文件可以被当作一个长字符串，换行无非就是'\n'。所以说，文件的读写位置就可以看作是一维数组的下标。

3.2、Linux系统下通过命令访问文件

在Linux系统中，执行echo "string" > "文件名"命令时，系统会以截断模式（对应C语言"w"模式）打开文件。该操作会清空文件原有内容，再将新字符串写入文件。

使用echo "string" >> "文件名"命令时，系统以追加模式（对应C语言"a"模式）打开文件。该操作会在文件末尾追加新内容，保留原有数据。

当然以上只是用C语言打个比方，echo的底层行为由Shell实现决定，内置版本通常直接调用系统调用，而外部版本可能间接使用stdio库。两者最终均通过内核接口完成输出。
cat命令通过父进程fork出的子进程来实现文件内容输出。子进程调用fget,fread等函数读取文件内容，将数据写入标准输出（显示器）。这种设计遵循Unix的进程模型，实现了高效的文件操作和输出重定向功能。

3.3、格式化输入与输出

键盘和显示器都是字符设备。当我们想输入一个int变量123，实际上我们输入的是'1','2','3'这三个字符，在scanf函数内部，他会把这三个字符合起来存储到一个int变量中。当我们想往显示器打印一个int变量123时，其实是由printf函数，把123这个int类型变量，拆散成'1','2','3'三个字符，然后写入到显示器文件中。这就叫格式化输入与输出。

读写二进制文件时，直接往文件中读写，把每个字节都照搬过来。而读写文本文件时，需要做格式化输入输出。读的是字符，要转换成整数，写的是整数，要转换成字符。这些工作都是由printf和scanf底层去实现的。当然如果我们要是打印字符串的话那就不用转换了。

3.4、打印到显示器的多种方式

向显示器中打印字符串有很多种方法，可以调用printf,fprintf,fputs,fwrite。那么这几种方式有什么区别，又有什么共同点呢？

进程启动的时候，默认会打开三个输入输出流：stdin，stdout，stderr。其实就是打开三个文件。而以上四种打印到显示器的方式无不都是输出到stdout这个文件。其中，fprintf,fputs,fwrite在传参的时候都得显示的传入stdout,而printf默认绑定了stdout。

#include<stdio.h>
#include<string.h>int main()
{const char* s1="hello printf\n";printf(s1);                                                                                                                                                                               const char* s2="hello fprint\n";fprintf(stdout,s2);const char* s3="hello fputs\n";fputs(s3,stdout);const char* s4="hello fwrite\n";fwrite(s4,strlen(s4),1,stdout);return 0;
}

其实这四个接口有一个共同点，就是都调用了系统调用接口open：

如果文件存在，那就调用两个参数的open，如果这个文件不存在，那就调用三个参数的open。这三个参数分别是文件路径+文件名、打开文件的方式，设定权限（八进制数）。这里的文件打开方式flags其实就是一个整数（是系统定义好的宏）。这个int类型整数有32个比特位，所以一共有32个标志位。
open成功时返回一个非负整数，表示文件描述符（File Descriptor）。该描述符是当前进程未使用的最小描述符，后续对文件的读写操作均通过此描述符进行访问。
open失败时返回-1，同时设置全局变量errno以指示具体错误类型。常见的错误码包括：

ENOENT：文件或路径不存在。
EACCES：权限不足。
EEXIST：文件已存在（与O_CREAT和O_EXCL标志冲突时触发）。
EISDIR：尝试以写方式打开目录文件。

系统提供了几种可传入到flags的宏，每个宏都对应一个数字。这些宏对应的数字有一个特点，就是只有一个比特位为1，换句话说，只有一个标志位。在传参的时候，我们可以把不同的宏通过|(或)的方式组合起来使用。这种传参的方式叫位图传参。

以下是系统提供的几种宏：

O_RDONLY：只读模式。
O_WRONLY：只写模式。
O_RDWR：读写模式。
O_CREAT：如果文件不存在，则创建文件。
O_EXCL：与 O_CREAT 一起使用，确保文件不存在时才创建。
O_TRUNC：如果文件已存在且为普通文件，将其长度截断为 0（清空文件）。
O_APPEND：以追加模式打开文件。
O_NONBLOCK：以非阻塞模式打开文件。
O_SYNC：每次写操作都会同步到磁盘。

需要注意的是，我们执行以下代码，他并不会给我们创建文件，因为在只写模式下没有文件创造文件的那是C语言，而这是系统调用接口，如果我们想让他创造文件需要或上O_CREAT。只要是新建文件，就必须指明文件的权限。但是由于umask的影响，如果我们想创建出权限为666的文件，可以暂时把该文件的umask改为0。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd=open("log.txt",O_WRONLY);//umask(0);//int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT，0666);if(fd<0){perror("open");return 1;}close(fd);return 0;                                                                                                                                                                                 
}

3.5、C语言的文件操作接口与系统调用

为什么C语言要封装文件操作接口呢？

第一，系统调用麻烦，并且需要学习系统的相关知识才可以使用。在C语言的学习阶段我们是不会系统的，如果只有系统调用才能进行文件操作那么文件操作的学习成本太大。

第二，Linux和其他操作系统的系统调用接口不一样！但是由于C语言跨平台的特性，在Linux上写的代码直接复制到其他操作系统上就能直接使用。所以说C语言对系统接口的封装本质上方便了我们程序员。

第三，C语言的文件操作接口通常带有用户态缓冲机制，减少了频繁调用系统调用的开销。换一句通俗的话说，就是提高了IO效率。

那么语言的跨平台性是如何实现的呢？

对于C/C++这种编译型语言来说，他实际上实现了所有平台的系统调用接口的封装，通过#ifdef和#elif来判断当前的平台，什么平台他就编译对应的那一部分代码。

3.6、文件的管理方式

在系统中，每个被打开的文件都被对应的struct file管理。struct file中直接或间接包含了文件的属性和内容。由于系统中存在很多被打开的文件，这些struct file之间通过双链表连接，管理文件就成了对struct file进行增删查改。

这些文件是被多个进程打开的，系统要怎么表示哪些文件是被哪些进程打开的呢？
在进程pcb中，包含一个叫struct files_struct* files的指针，这个指针指向的结构体之中包含了一个指针数组struct file* fd_array[]。这个指针数组之中包含的指针指向了各个files_struct。而文件描述符实际上就是这个指针数组的下标。

在打开文件时，系统还会把这个文件的部分属性和内容加载到内存中，然后在struct file内部用分别用两个指针指向加载到内存中的文件的属性和内容。内容是保存在文件内核缓冲区的。

files_struct内部包含了文件的inode信息，inode包含的关键信息有以下几种：

文件类型：普通文件、目录、符号链接等。
权限：读、写、执行权限（如 rwxr-xr-x）。
所有者与组：文件所属用户和组。
大小与时间戳：文件大小、最后访问时间（atime）、修改时间（mtime）、元数据变更时间（ctime）。
数据块指针：指向存储文件内容的磁盘块。

当我们使用write写入文件时，并不是直接把字符串写入到磁盘中，而是把数据从用户空间拷贝到对应文件的内核缓冲区中。首先，write根据调用他的进程控制块pcb找到files_struct，然后根据文件描述符，找到要写入文件的struct fils_struct，接着把内容拷贝到fils_struct内部指针指向的文件内核缓冲区。内核缓冲区的内容什么时候写入到磁盘中就是由操作系统决定的了。我们进行任何文件增、删、查、改操作，都必须把文件的内容提前加载到文件内核缓冲区。

3.7、文件描述符的分配规则

我们打印几个文件描述符，发现文件描述符是从3开始的，那么为什么不是从0开始呢？

系统内部是通过文件描述符来区分文件的，在C语言中，File*是定义文件的一个结构体，这个结构体中封装了文件描述符。而0,1,2这三个文件描述符（三个下标）被stdin,stdout,stderr这三个文件封装了起来。我们可以通过以下方式访问File*中封装的文件描述符：

int main()
{printf("stdin->%d\n",stdin->_fileno);printf("stdin->%d\n",stdout->_fileno);printf("stdin->%d\n",stderr->_fileno);return 0;                                                                                                                              
}

在C++中，是cin,cout,cerr这三个类封装了文件描述符0,1,2。

分配描述符时，系统会从文件描述符数组中寻找最小的，没有被使用的下标，作为该文件的文件描述符。

3.8、输入重定向和输出重定向

输入重定向和输出重定向是怎么实现的呢？

经过上面的介绍我们知道分配文件描述符时，会从小到大分配。如果我们现在执行close(0)把0号下标对应的文件关闭了，那么0号下标就空出来的。这时候我们打开文件，这个文件的描述符就被分配成了0号。这时候我们读取内容就是从这个文件中读的。基于此我们就实现了输入重定向。

输出重定向同理，我们把1号下标分配给新打开的文件，这时候printf就把内容打印到了这个文件中，即完成了输出重定向。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>int main()
{close(0);int fd=open("log.txt",O_RDONLY);//需要手动创建log文件，并写入内容if(fd<0){perror("fd");return 1;}int a,b,c;scanf("%d %d %d",&a,&b,&c);printf("%d %d %d\n",a,b,c);close(fd);
}

当然，这只是底层实现的原理，如果我们想实现输入输出重定向可以通过系统调用接口实现。接下来我们介绍以下系统调用接口dup2:

我们需要向dup2中传入两个文件描述符，dup2会把oldid中存储的内容（file*）拷贝到newid中，最后，下标newid和下标oldid都存储着原来下标oldid中的内容，也就是我们新打开的文件的file_struct。换句话说，我们想要完成输出重定向，需要执行的是dup2(fd,1);执行之后，我们即可以直接printf向文件中写入内容，也可以通过write向文件中写入内容

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>int main()
{int fd=open("log.txt",O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);if(fd<0){perror("open");return 0;}dup2(fd,1);printf("hello Linux\n");const char* string="hello linux";write(fd,string,strlen(string));return 0;
}

在创建子进程的时候，子进程同样会把父进程的文件描述表继承下来。子进程会先开辟一个一样的表，再把内容都拷贝过来。但是子进程不需要把文件拷贝过来，子进程和父进程指向的file是一样的。正因此，父子进程printf的时候，会同时打印到同一个显示器文件中。

Bash默认打开了标准输入，标准输出，标准错误，所以Bash的子进程默认也都打开了标准输入，标准输出，标准错误！子进程和父进程共享的文件会通过引用计数的方式来共同使用。只有该文件的引用计数变为0，该文件才会关闭。所以说尽管子进程把1关闭，父进程照样能打印。

好了，今天的内容就分享到这，我们下期再见！

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