Linux学习笔记之文件

1.文件

1.1文件属性

当我们创建文件时，文件就有了对应的属性，可以用mkdir创建目录，touch创建普通文件。用ls -al查看文件属性。

从上图可以看出目录或者文件的所有者，所属组，其他人权限，创建时间等信息。由此我们便可以得到，一个结论，文件创建出来，即使我们没有写入任何的数据，他也是有大小的。使用stat可以查看文件的详细信息。

stat test.c

这里大小显示为0并不是没有占内存，而是大小不足一字节，所以显示为0.

文件=文件内容+属性

1.2 文件存储位置

当文件没有被打开使用时，如果把他放他被放置在系统的磁盘中，但当文件打开时，他就会被加载到内存中。CPU只会与内存进行数据处理，使用文件前必须打开文件说的也就是把文件从磁盘加载到内存中，让CPU进行数据处理。

1.3 文件与进程关系

当我们在修改文件时，在Windows中会默认打开记事本，在Linux中使用vim或者nano。实际上我们不会之间修改文件，而是通过软件修改，其实就是通过进程修改文件。我们要学习文件管理就是在学习OS进程管理与文件管理之间的关系。

1.4如何管理文件

一个进程可以打开多个文件，多个进程可以打开很多文件，在OS中，这些文件分布在内存的各个地方，为了管理这些文件，Liunx必定会 先描述，在组织。即在使用struct结构体包含文件信息，然后再组织管理起来。如下图

在Liunx中学习文件操作，就是学习进程管理与文件管理之间的关系。

2.C语言文件操作

在C语言中，可以使用fopen打开文件，fwrite，fputs，fprintf等写入文件。

2.1 fopen

path参数是文件地址，可以采用绝对地址，也可以采用想对地址。第二个参数是文件打开方式。函数失败返回空指针。

2.1.1 文件打开方式

文件打开方式主要有6种，a，w，r及其附加类

r 以只读方式打开文件，(不可以修改文件)从文件开头读取。
r+ 以读写方式打开文件，从文件开头读取。
w 以写方式打开文件，文件存在清除，不存在创建新文件，从文件开头写入
w+ 以写方式打开文件，文件存在清除，不存在创建新文件，可以读取文件内容，从文件开头写入
a 以追加写入方式打开文件，文件不存在则创建，从文件结尾写入
a+ 以追加读取写入方式打开文件，文件不存在则创建，从文件结尾写入。但读取从文件开头开始读取

总而言之，C语言提供了丰富的文件接口使用。不同场景下使用合适的方式。

#include<stdio.h>


int main()
{
    FILE * fp=fopen("hello.txt","w");//不加路径则默认为当前路径下


    fprintf(fp,"%s","hello files!\n");

    fclose(fp);


    return 0;
}

运行上述程序后，会在当前目录下生成hello.txt文件。

2.2 fclose

使用起来相对简单，只需要把文件指针传入即可。

在打开文件后，必须要关闭文件，当我们在修改文件时，文件数据是在内存中的，如果直接结束进程，内存中的数据被释放，文件修改后的数据就可能不存在了。关闭文件实际上就是把在内存中的文件写入到磁盘当中去。

2.3 默认打开文件

当C语言程序运行时，就会默认打开三个文件。

stdin 标准输入（一般为键盘）
stdout 标准输出（一般为显示器）
stderr 标准错误（一般为显示器）

2.3.1 键盘与显示器为什么是文件

OS是软硬件资源的管理者，对上要提供良好的开发环境，对下要管理好硬件。实际上OS要管理好硬件，就是要做好对于数据的IO操作，从硬件读取数据，或者是向硬件写入数据。

对于硬件来说，他会有许多，OS为了管理硬件，一定会先描述在组织，对下管理硬件资源。创建hardware_struct，里面有设备名称，硬件编号，以及函数指针等。其中的函数指针就是为了读写操作准备的。

由此，当我们想要向硬件写入的时候，不必关注底层硬件设计，只需要使用write函数即可，剩下的交给硬件驱动。这就是Linux下的一切皆文件的实现方式。

实际上驱动程序主要就是IO操作相关的函数，所以向电脑插入一个设备的时候，电脑首先就会查看有没有相关的驱动程序，如果没有就运行不了。我们之前学习的C语言函数就是对应上图的函数库操作。

3.系统文件操作

根据之前的操作系统图，C语言函数一定是封装了系统调用接口的。OS不允许用户越过自己直接访问硬件。（当然单片机除外，简单的单片机没有OS）

3.1 open

open就是操作系统提供的打开文件操作。

int open(const char *pathname, int flags);该函数第一个参数是文件路径，第二个参数是标记位，可以选择对文件如何操作。有如下主要选项。

O_RDONLY：以只读方式打开文件。
O_WRONLY：以只写方式打开文件。
O_RDWR：以读写方式打开文件。
O_CREAT：如果文件不存在，则创建该文件。使用此标志时，需要提供第三个参数 mode 来指定文件的权限。
O_TRUNC：如果文件存在且以可写方式打开，则将文件截断为零长度。
O_APPEND：以追加方式打开文件，每次写操作都会将数据追加到文件末尾。

上述标记位可以组合使用，用 | 分隔开。例如O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC 就可以达到C语言fopen中W的效果，或者说C语言a，r，w就是open不同选项封装的。

3.1.1 返回值

返回值是int，没有看错，返回值就是朴实无华的int。在Linux进程中我们必定要管理文件，但是一个int类型怎么指向一个文件？怎么根据int确定是那个文件。

运行下述代码。

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>



int main()
{
    
    int f1=open("text1",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f2=open("text2",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f3=open("text3",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f4=open("text4",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f5=open("text5",O_WRONLY|O_CREAT);

    printf("f1:%d f2:%d f3:%d f4:%d f5:%d",f1,f2,f3,f4,f5);

    return 0;
}

我们可以发现如果我们连续打开文件，这是一连串的数字从3开始。计算机中有什么结构有如此规整的数字么？答案显然是数组，至于为什么从3开始，因为我们每个进程默认打开三个文件，标准输入，标准输出，标准错误。

实际上进程就是使用数组来管理文件的，如下图。

3.1.2 标记位如何实现

实际上flags就是个32位的位图，每个O_RDONLY，O_WRONLY都是宏定义，且是某个比特位为1的特殊值。如下图

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    printf("%d %d %d %d\n",O_RDONLY,O_WRONLY, O_CREAT,O_TRUNC);

    return 0;
}

|实际上就是按位或，有1为1，这样在传入参数后，可以根据每个比特位的情况来实现不同的功能，而避免写过多的函数。

3.1.3 open

在 C 语言里并没有像 C++ 那样的函数重载机制，C 语言要求函数名必须唯一。不过在 Linux 系统中，open 函数存在两种不同参数列表的形式，这并非是通过函数重载实现的，而是借助预处理器和编译器的协作来达成的。

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);前两个参数与之前一样，第三个参数是设置文件的权限。

这里使用数字，实际上也是运用位图的思想，每个选项对应一个比特位。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    
    open("hello.txt", O_TRUNC | O_WRONLY|O_CREAT, 0777);
    //这里0777表示8进制，二进制为 0 111 111 111

    return 0;
}

运行上述程序，得到如下结果。

但看起来与我们设置的777不符合，为0775，这是因为还有掩码umask作用，真实权限是将默认权限值与 umask 值按位取反的结果进行按位与运算。简单记位减去掩码就是真正的权限。（权限=open设置-掩码）

        111 111 111 （默认权限）

        111 111 101 （取反后的掩码位）

         ---------------

        111 111 101 （计算结果）

3.2 close

这个是Linux系统提供的接口，可以关闭文件，他的参数比较特殊是fd，就是文件在进程管理数组中的下标。关闭成功返回0，失败返回-1.

标准输入，标准输出，标准错误也是文件，在数组下标为0，1，2.一定也可以被关闭。如下代码。

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>



int main()
{
    
    close(2);
    int f1=open("text1",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f2=open("text2",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f3=open("text3",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f4=open("text4",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f5=open("text5",O_WRONLY|O_CREAT);

    printf("f1:%d f2:%d f3:%d f4:%d f5:%d\n",f1,f2,f3,f4,f5);

    return 0;
}

可以发现下标从2开始。在运行下述程序，关闭0号文件。

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>



int main()
{
    
    close(0);
    int f1=open("text1",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f2=open("text2",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f3=open("text3",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f4=open("text4",O_WRONLY|O_CREAT);
    int f5=open("text5",O_WRONLY|O_CREAT);

    printf("f1:%d f2:%d f3:%d f4:%d f5:%d\n",f1,f2,f3,f4,f5);

    return 0;
}