系统文件I/O

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1. open函数

1.1 open函数介绍

打开⽂件的⽅式不仅仅是fopen，ifstream等流式，这些都是语⾔层的⽅案。其实系统才是打开⽂件最底层的⽅案。而系统则通过open函数来打开文件。通过二号手册可以查到open函数。

参数介绍：

1. pathname：打开文件的路径。
2. flags：文件标志位（打开文件的方式）
3. mode：文件的权限。

返回值：返回文件描述符。

1.2 flag

flag参数就是标志位，有以下选项：

O_RDONLY：只读模式打开
O_WRONLY：只写模式打开
O_RDWR：读写模式打开
O_CREAT：如果文件不存在则创建它
O_EXCL：与 O_CREAT 一起使用，如果文件已存在则返回错误
O_TRUNC：如果文件存在且以可写模式打开，则将文件长度截断为 0
O_APPEND：以追加模式打开，写入的数据会添加到文件末尾

open是系统调用函数，其flags标志位本质上是通过比特位进行检查和组合的。采用位图来传标志位，每个标志对应一个特定的比特位，通过按位运算实现多标志的组合与判断。
示例如下：

#include <stdio.h>
#define ONE_FLAG (1<<0)  // 0000 0000 0000...0000 0001
#define TWO_FLAG (1<<1)  // 0000 0000 0000...0000 0010
#define THREE_FLAG (1<<2) // 0000 0000 0000...0000 0100
#define FOUR_FLAG (1<<3)  // 0000 0000 0000...0000 1000void Print(int flags)
{if(flags & ONE_FLAG){printf("One!\n");}if(flags & TWO_FLAG){printf("Two\n");}if(flags & THREE_FLAG){printf("Three\n");}if(flags & FOUR_FLAG){printf("Four\n");}
}int main()
{Print(ONE_FLAG);Print(ONE_FLAG | TWO_FLAG);Print(ONE_FLAG | TWO_FLAG | THREE_FLAG);Print(ONE_FLAG | TWO_FLAG | THREE_FLAG);return 0;
}

每个标志通过左移运算（1<<n）定义，确保每个标志只占用一个独立的比特位（值为 2 的幂）。
这样定义的好处是：多个标志可以通过按位或（|）组合，且彼此不会冲突。

1.3 mode

mode：当使用 O_CREAT 标志创建新文件时，必须指定新文件的权限。mode参数的意义就是指定权限。

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

我们设置了666的权限，但是创建出来的文件去不是666权限，是因为在我们的系统中还存在权限掩码umask的影响。如果我们不想受系统的权限掩码影响，只需要在第一行设置一下权限掩码，系统就会根据就近原则帮我们创建文件。

2. write函数

2.1 write函数介绍

和open函数一样，write函数也是系统级别的函数，我们在语言层面用到的fwrite等函数底层都封装了write函数。

参数介绍：

1. fd：文件描述符。
2. buf指向缓冲区的指针，存储要写入的数据（即待写入的内容）。
3. count要写入的字节数（size_t类型，无符号整数）。

返回值：返回实际写入的字节数，若写入失败则返回-1
示例如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{umask(0);int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666); int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666); if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("%d\n", fd);const char* msg = "hello linux\n";int cnt = 5;while(cnt--){write(fd, msg, strlen(msg));}close(fd);return 0;
}

int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
解释：创建文件，以写方式打开，并且每次打开清空文件。
int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);
解释：创建文件，以写方式打开，并且以追加方式写入。
通过这个例子更好的理解通过位图传标志位，并且用或运算符增加文件操作的灵活性。理解语言层，和系统层的联系。

2.2 buf

Q：我注意到write函数的第二个参数buf的类型是void，底层难道不用管写入的内容类型吗？
A：是的，系统实际上是不关心我们的写入方式，你写整型，系统就将整型原封不动的写入文件，然后以二进制存储，当我们读文件的时候编辑器按照二进制给我们翻译。如果你是直接将整型写入文件，这时候就有问题了，编辑器会将对应字符的ASCLL码显示，导致产生乱码。

示例如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{umask(0);int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666); if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("%d\n", fd);int num = 12345;int cnt = 5;while(cnt--){char buffer[16];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%d", num);write(fd, buffer, strlen(buffer));// write(fd, &num, sizeof(num));}close(fd);return 0;
}

Q：系统向文件写入时是以二进制写入吗？
A：是的。

write 系统调用会原封不动地将内存缓冲区中的字节写入文件，不会对数据做任何编码或转换。 具体到向 log.txt 写入字符串 msg的场景，需要区分两种情况：

1. 如果 msg 是字符串（如 char *msg = "hello log"） 此时写入的是字符串的ASCII/UTF-8 编码的二进制字节流。例如字符串 "abc" 在内存中是 0x61 0x62 0x63（ASCII 码的二进制表示），write会直接将这三个字节写入文件。 因为文本文件（.txt）本质上就是由字符的二进制编码组成的，所以用 write 写入字符串后，用文本编辑器打开log.txt 能正常显示为文字（编辑器会自动将二进制字节解析为字符）。
2. 如果 msg 是二进制数据（如整数、结构体等） 例如写入一个整数 12345（二进制表示为 0x30 0x39），write 会直接写入这两个字节。此时用文本编辑器打开 log.txt可能会显示乱码（因为编辑器会尝试将二进制字节解析为字符，而这些字节可能不对应可打印字符）。
3. 总结 write的写入方式始终是二进制（直接操作字节）。 写入后文件内容是否为 “可阅读的文本”，取决于你写入的数据本身是否是字符的编码（如ASCII、UTF-8 等）。对于日志文件 log.txt，通常我们会写入字符串（字符编码的二进制），因此最终能以文本形式查看。

在此又理解了snprintf的意义，要通过格式控制，先将整数写入字符数组，再将字符写入文件。

3. read函数

3.1 read函数介绍

read函数同样是系统调用函数，不再赘述。

参数介绍：

1. fd文件描述符，表示要读取数据的源。
2. buf指向缓冲区的指针，用于存储读取到的数据（需提前分配足够空间）。
3. count期望读取的最大字节数（size_t 类型，无符号整数）。

返回值：返回实际读取的字节数，读失败返回-1，读到文件末尾返回0
示例如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{umask(0);int fd = open("log.txt", O_RDONLY); if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("%d\n", fd);while(1){char buffer[64];int n = read(fd, buffer,sizeof(buffer) - 1);if(n > 0){buffer[n] = 0;printf("%s", buffer);}else if(n == 0)break;}close(fd);return 0;
}

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int n = read(fd, buffer,sizeof(buffer) - 1);
解释：从文件描述符fd中读取数据到buffer缓冲区中，每次最多读sizeof(buffer) - 1)个字节。返回值n表示读到的字节个数。

4. 文件描述符 fd

4.1 引入

Q：fd是什么，为啥这三个函数都和fd息息相关？为啥通过一个整数就能访问文件？
A：fd是文件描述符。
示例如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{int fd1 = open("log1.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);int fd2 = open("log2.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);int fd3 = open("log3.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);int fd4 = open("log4.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);printf("fd1:%d\n", fd1);printf("fd2:%d\n", fd2);printf("fd3:%d\n", fd3);printf("fd4:%d\n", fd4);close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);return 0;
}

Q: 为什么从3开始打印？012去哪里了?
A: 012 表示标准输入，标准输出，标准错误。
要真的弄清楚文件描述符，我们要先弄清楚我们之前学的FILE

4.2 FILE

Q：FILE是什么？
A：是C语言提供的一个结构体，结构体中包含了文件的一系列属性。
但是！在操作系统接口调用层面上，操作系统只认文件描述符fd，所以FILE中一定封装了文件描述符fd。

4.3 fd

Q：文件描述符是什么，为什么进程通过一个文件描述符就能读写文件？
A：当我们调用一个进程的时候，进程是有可能打开多个文件的。而进程如何管理这些文件呢？“先描述，再组织”，所以进程就会在自己的PCB中维护一张struct files_struct表（由files指针指向），而这个表就叫做文件描述符表，在这个表中还会有一个struct file* fd_array[]的数组，是一个结构体指针数组，里面存放着我们打开的文件地址。所以：文件描述符fd实际上是进程PCB中，files指针指向的，结构体中的，数组的，下标。

小知识点：对文件内容做任何操作，都必须把文件加载到内核对应的文件缓冲区中。所谓的加载就是从磁盘到内存的拷贝。

5. 重定向原理

文件描述符的分配原则：当我们申请文件描述符时，操作系统遍历fd_array[]数组，找到一个最小的没有被使用的分配给fd。

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

所以当我们代码中将标准输出关闭之后，又打开新文件，操作系统就会将1号下表分配给我们的新文件，然后我们又调用了printf函数，而printf函数只认stdout，其实认的是文件描述符fd == 1，printf就是向文件描述符为1的文件中写入内容，由此实现了重定向。本质上是更改文件描述符表的指针指向。于是我们引出了系统调用函数dup2

6. dup2

dup2 函数是用于复制文件描述符的系统调用，它可以将一个已有的文件描述符复制到另一个指定的文件描述符。


示例如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main() {// 打开文件（写入模式，不存在则创建，权限 0644）int fd = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (fd == -1) {perror("open failed");return 1;}// 将标准输出（stdout，文件描述符 1）重定向到 fd 指向的文件if (dup2(fd, 1) == -1) {perror("dup2 failed");close(fd);return 1;}// 关闭原 fd（已通过 newfd=1 引用，无需保留）close(fd);// 此时 printf 会写入文件而非终端printf("这段文字会被写入 output.txt\n");return 0;
}

7. 总结

本文就完成了系统层面的文件操作，也让我更深刻的理解了语言函数的实现原理。

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完