【Linux探索学习】第二十弹——基础IO：深入理解C语言文件I/O与Linux操作系统中的文件操作

Linux学习笔记：

https://blog.csdn.net/2301_80220607/category_12805278.html?spm=1001.2014.3001.5482

前言：

文件I/O（输入输出）操作是现代计算机系统中的重要组成部分，几乎所有的程序都需要与文件进行交互。无论是读取配置文件、写入日志文件，还是处理用户数据，文件操作都是不可避免的。而在操作系统层面，文件操作的实现往往是通过文件描述符和系统调用接口来完成的。在Linux操作系统中，文件描述符是处理文件的关键，而通过系统调用接口，程序能够直接与操作系统交互，实现文件的打开、读取、写入和关闭等操作。

C语言作为一种底层编程语言，提供了多种文件操作函数，同时，Linux操作系统提供了底层的系统调用，帮助程序实现更精细的文件控制。在这篇博客中，我们将深入探讨C语言文件I/O操作的基础，重点讨论操作系统中的文件操作机制，详细讲解Linux中的文件描述符和文件操作系统调用接口。通过这篇文章，你将能够理解文件操作的基本概念、系统调用的工作原理以及如何在C语言中实现高效的文件操作。

2.1 文件描述符（File Descriptor）

首先我们先来讲解一下C语言中的文件I/O操作，这个在我们前面C语言的讲解中已经提到过，今天我们结合操作系统的IO操作再来回顾一下

第一部分：C语言文件I/O操作基础

在C语言中，文件I/O操作主要是通过标准库提供的FILE *指针和一系列文件操作函数来实现的。这些函数为开发人员提供了更高层的文件操作接口，使得文件读写变得简单和方便。

1.1 打开文件：`fopen()`

C语言通过fopen()函数打开文件，并返回一个FILE *类型的指针，用于后续的文件读写操作。fopen()的语法如下：

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

filename：表示文件的路径，文件可以是相对路径或绝对路径。
mode：文件打开的模式，决定文件的读写方式。

常见的mode有：

模式	描述
`"r"`	以只读模式打开文件，文件必须存在。
`"w"`	以写模式打开文件，若文件已存在则会被清空。
`"a"`	以追加模式打开文件，若文件不存在则会创建文件。
`"rb"`	以二进制模式只读打开文件，文件必须存在。
`"wb"`	以二进制模式写入文件，若文件已存在则会被清空。

示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return -1;
    }

    fprintf(file, "Hello, World!\n");
    fclose(file);
    return 0;
}

运行结果：

1.2 读取文件：`fread()`

fread()函数从文件中读取数据，并将其存储到内存中。其语法如下：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream);

ptr：指向内存的指针，用于存储读取的数据。
size：每个数据元素的大小（单位：字节）。
count：读取的元素个数。
stream：文件指针，指定从哪个文件读取数据。

示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return -1;
    }

    char buffer[100];
    size_t bytesRead = fread(buffer, sizeof(char), 100, file);
    buffer[bytesRead] = '\0';  // Add null terminator
    printf("File content: %s\n", buffer);
    
    fclose(file);
    return 0;
}

运行结果：

1.3 写入文件：`fwrite()`

fwrite()函数用于将数据从内存写入到文件中。其语法如下：

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

ptr：指向内存中数据的指针。
size：每个数据元素的大小（单位：字节）。
count：写入的元素个数。
stream：文件指针，指定将数据写入哪个文件。

示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return -1;
    }

    const char *message = "Hello from C!\n";
    fwrite(message, sizeof(char), 16, file);
    
    fclose(file);
    return 0;
}

运行结果：

1.4 关闭文件：`fclose()`

文件操作完成后，应该通过fclose()函数关闭文件。其语法如下：

int fclose(FILE *stream);

stream：文件指针，指向已经打开的文件。

关闭文件后，程序无法再通过该文件指针进行任何操作。

示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return -1;
    }

    // Perform file operations...

    fclose(file);
    return 0;
}

1.5 错误处理

在文件操作中，错误处理非常重要。C语言提供了两个函数来帮助开发者检测错误：ferror()和feof()。

ferror(FILE *stream)：判断是否发生了文件I/O错误。
feof(FILE *stream)：判断文件是否到达了末尾。

示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return -1;
    }

    char buffer[100];
    if (fread(buffer, sizeof(char), 100, file) == 0) {
        if (ferror(file)) {
            perror("Error reading file");
        } else if (feof(file)) {
            printf("End of file reached.\n");
        }
    }

    fclose(file);
    return 0;
}

第二部分：Linux操作系统中的文件操作

在Linux中，文件操作是通过系统调用接口和文件描述符来完成的。文件描述符是一个整数，它表示一个打开的文件，而系统调用接口提供了底层文件操作的功能，如打开、读写和关闭文件。理解Linux中的文件描述符和系统调用接口对于深入了解文件I/O非常重要。

2.1 文件描述符（File Descriptor）

在Linux中，每个打开的文件都会被分配一个文件描述符。文件描述符是一个非负整数，操作系统内核通过它来跟踪进程与文件之间的关联。文件描述符提供了与文件进行交互的通道，可以通过它执行各种文件操作。

文件描述符	描述
`0`	标准输入（stdin）
`1`	标准输出（stdout）
`2`	标准错误（stderr）

除了标准输入、输出和错误，程序还可以使用open()系统调用打开文件并获得其他文件描述符。

2.2 系统调用接口

Linux提供了多个系统调用来执行文件操作，常见的系统调用包括：open()、read()、write()、close()等。通过这些系统调用，程序能够直接与内核进行交互，完成文件的操作。

2.2.1 `open()` 系统调用

open()系统调用用于打开一个文件并返回文件描述符。其语法如下：

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

pathname：要打开的文件的路径。
flags：文件打开模式，决定文件的访问方式。
mode：文件权限，通常在文件创建时使用。

常见的flags参数包括：

标志	描述
`O_RDONLY`	以只读模式打开文件
`O_WRONLY`	以只写模式打开文件
`O_RDWR`	以读写模式打开文件
`O_CREAT`	文件不存在时创建文件
`O_TRUNC`	如果文件已存在，清空文件内容
`O_APPEND`	以追加模式打开文件

示例：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("Error opening file");
        return -1;
    }

    const char *data = "Hello from Linux File Descriptor!";
    write(fd, data, 31);  // 写入数据到文件
    close(fd);  // 关闭文件描述符
    return 0;
}

运行结果：

2.2.2 `read()` 系统调用

read()系统调用用于从文件中读取数据，并将数据存储到内存中。其语法如下：

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

fd：文件描述符。
buf：指向内存的指针，用于存储读取的数据。
count：要读取的字节数。

示例：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("Error opening file");
        return -1;
    }

    char buffer[100];
    ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (bytesRead == -1) {
        perror("Error reading file");
        close(fd);
        return -1;
    }

    buffer[bytesRead] = '\0';  // Null-terminate the string
    printf("File content: %s\n", buffer);

    close(fd);
    return 0;
}

运行结果：

2.2.3 `write()` 系统调用

write()系统调用用于将数据写入文件。其语法如下：

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

fd：文件描述符。
buf：指向要写入数据的内存地址。
count：要写入的字节数。

示例：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("Error opening file");
        return -1;
    }

    const char *message = "Hello from Linux File Descriptor!\n";
    write(fd, message, 31);  // Write data to file
    close(fd);  // Close file descriptor
    return 0;
}

运行结果：

2.2.4 `close()` 系统调用

close()系统调用用于关闭文件描述符。其语法如下：

int close(int fd);

fd：要关闭的文件描述符。

示例：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("Error opening file");
        return -1;
    }

    // Perform file operations...

    close(fd);  // Close the file descriptor
    return 0;
}

第三部分：文件描述符与`FILE *`的区别

虽然C语言提供了FILE *类型和相关的标准库函数来处理文件操作，但底层实际上是通过文件描述符来进行管理的。理解FILE *与文件描述符的区别对于深入理解文件I/O非常重要。

3.1 `FILE *`与文件描述符的区别

特性	`FILE *`（C标准库）	文件描述符（Linux操作系统）
类型	由C标准库提供的类型	操作系统内核使用整数值标识
管理者	由C标准库管理	由操作系统内核管理
主要用途	提供更高级别的文件操作接口	提供更低级别的文件操作接口
缓冲区管理	提供缓冲区管理，提高效率	不提供缓冲区管理
数据访问方式	适用于文本文件的高级操作	适用于二进制文件和直接内存映射操作

结论

通过本文的详细讲解，您应该已经对C语言的文件I/O操作以及Linux操作系统中文件描述符和系统调用有了更深刻的理解。在C语言中，文件I/O操作主要通过FILE *指针和标准库函数来实现，而在Linux操作系统中，文件操作通过文件描述符和底层的系统调用接口进行。通过这些系统调用，程序能够直接与操作系统交互，完成文件的打开、读写和关闭等操作。

理解FILE *与文件描述符的区别、系统调用的工作原理，以及如何高效地进行文件操作，将有助于你在编程过程中处理更复杂的文件任务，并提高程序的性能。

本篇笔记：

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