【Linux系统】从 C 语言文件操作到系统调用的核心原理

文章目录

• 前言
• lesson 15_基础IO
• • 一、共识原理
  • 二、回顾C语言接口
  • • 2.1 文件的打开操作
    • 2.2 文件的读取与写入操作
    • 2.3 三个标准输入输出流
    • 三、过渡到系统，认识文件系统调用
    • • 3.1 `open` 系统调用
      • • 1. 比特位标志位示例
        • 3.2 `write` 系统调用
        • • 1. 模拟实现 `w` 选项
          • 2. 模拟实现 `a` 选项
          • 3.3 `read` 系统调用
          • 四、访问文件的本质
          • 结语

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            前言

            本文将从文件的基本概念出发，先回顾 C 语言中文件操作的常用接口，再逐步过渡到 Linux 系统调用，解析文件描述符、文件打开对象、进程与文件的关系等关键概念。通过代码示例和原理分析，带你揭开 Linux 基础 IO 的神秘面纱，理解操作系统如何管理文件、进程如何与文件交互的底层逻辑。

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            lesson 15_基础IO

            一、共识原理

            • 文件 = 内容 + 属性。

            • 文件分为 打开的文件 和 没打开的文件。

            • 打开的文件：谁打开的？进程！—— 本质是研究进程和文件的关系。

            • 没打开的文件：在哪里放着呢？在磁盘上。我们最关注的问题？没有被打开的文件非常多，文件如何被分门别类的放置好（如何存储） —— 我们要快速的进行增删查改 —— 快速找到文件。

            • 文件被打开，必须先被加载到内存！

            • 进程：打开的文件 = 1：n。

              小结：操作系统内部，一定存在大量的别打开的文件！—— OS 要不要管理这些被打开的文件呢？ —— 怎么管理？？？—— 先描述，在组织。—— 在内核中，一个被打开的文件都必须有自己的文件打开对象，包含文件的很多属性。struct XXX{文件属性；struct XXX *next};

              二、回顾C语言接口

              2.1 文件的打开操作

              • fopen 函数用于打开文件，格式为

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

                • path: 文件路径或文件名。如果只有文件名，操作系统会在当前工作目录（cwd）下查找该文件。

                • mode: 文件打开模式。常见模式有：

                  • w: 如果文件已存在，先清空文件再写入。如果文件不存在，创建新文件。
                  • a: 以追加模式打开文件，在文件末尾添加内容。

                  • 当前路径 (cwd): 每个进程维护一个当前工作目录，操作系统会根据该目录来查找文件。如果路径没有指定，fopen 会使用进程的当前工作路径。

                  • 2.2 文件的读取与写入操作

                    • fwrite 用于向文件写入数据。其函数声明为：

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

                      • ptr: 指向要写入数据的指针。
                      • size: 每个写入对象的大小。
                      • nmemb: 要写入的对象个数。
                      • stream:文件流指针

                      • 举例使用：

                        int main()
                        {
                            FILE *fp = fopen("log.txt", "w");
                            if (fp == NULL)
                            {
                                perror("fopen");
                                return errno;
                            }
                            char* str = "Hello Linux!";
                            fwrite(str, strlen(str), 1, fp);
                            fclose(fp);
                            return 0;
                        }
                        

                        • fwrite的第二个参数是指每个写入对象的大小，strlen函数返回的值是不包含字符串结束标识符，那么我们传参是加一还是不加一呢？加一就代表把\0写入到文件中，那么我们是应该怎么选择呢？这里不妨试一试加一的结果：

                          注意 log.txt 文件中，字符串的末尾有一个^@，是什么意思呢？实际上这个字符组合是表示\0的ASCII码，所以写入字符串时，使用 strlen 计算字符串长度时，不包括结束符 \0。通常不需要将 \0 写入文件，因为它是 C 语言中的结束标志，而在其它语言中读取文件时，可能不希望看到这些无关的字符。

                          2.3 三个标准输入输出流

                          C 程序启动时，会自动打开以下三个标准流：

                          • stdin: 标准输入流（通常与键盘连接）。
                          • stdout: 标准输出流（通常与显示器连接）。
                          • stderr: 标准错误流（通常与显示器连接）。

                            这三个流都由操作系统和 C 标准库提供，并用于处理程序与外部交互的基本输入输出。

                            三、过渡到系统，认识文件系统调用

                            文件其实是在磁盘上的，磁盘是外部设备，访问磁盘文件其实是访问硬件！几乎所有的库只要是访问硬件设备，必定要封装系统调用。

                            3.1 open 系统调用

                            open 是一个用于打开文件或创建文件的系统调用，其原型为：

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

                            • 参数说明：
                              • pathname: 文件路径。
                              • flags: 打开文件时的标志，例如：
                                • O_RDONLY：只读打开。
                                • O_WRONLY：只写打开。
                                • O_RDWR：读写打开。
                                • O_CREAT：文件不存在时创建文件。
                                • O_TRUNC：打开文件时清空文件内容。
                                • O_APPEND：以追加模式打开文件。
                                • mode: 在使用 O_CREAT 时，需要指定新文件的访问权限。
                                • 返回值：成功返回文件描述符，失败返回 -1。

                                  1. 比特位标志位示例

                                  通过按位或（|）传递多个标志位，可以在同一次调用中同时指定多个选项。

                                  代码示例：

                                  #define ONE (1
                                      if(flags & ONE) printf("function1\n");
                                      if(flags & TWO) printf("function2\n");
                                      if(flags & FOUR) printf("function3\n");
                                      if(flags & EIGHT) printf("function4\n");
                                      return;
                                  }
                                  int main()
                                  {
                                      printf("--------------------------------------\n");
                                      show(ONE);
                                      printf("--------------------------------------\n");
                                      show(ONE | TWO);
                                      printf("--------------------------------------\n");
                                      show(ONE | TWO | FOUR );
                                      printf("--------------------------------------\n");
                                      show(ONE | TWO | FOUR | EIGHT);
                                      printf("--------------------------------------\n");
                                      return 0;
                                  }
                                  
                                      umask(0); // 将权限掩码设置成0000
                                      int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); 
                                      if(fd