Linux —— 文件操作

article/2025/10/12 1:02:46

目录

1.内核提供的文件系统调用

1.1open和close

1.2标记位

1.3write和read

2.文件描述

2.1文件描述符

 2.2文件描述符分配规则

3.重定向

3.1最“挫”的重定向

3.2使用系统调用

3.3重定向原理

3.4让我们的"shell"支持重定向操作

4.一切皆文件

5.缓冲区

5.1缓冲区的本质

5.2缓冲区的刷新策略

5.3缓冲区的位置

5.4缓冲区与写时拷贝

5.5模拟实现"缓冲区"

1.内核提供的文件系统调用

1.1open和close

通过[man]指令浏览其描述，这里截取片段。 

第一个open是文件存在的情况下打开文件，第一个参数为文件名，若不指定文件路径，则默认为父进程的工作路径。第二个参数为标记位，int类型的每个比特位的0 和 1代表了不同的标记。Linux提供了多种标记。

第二个open是文件不存在的情况下打开文件，第三个参数为文件创建的初始权限。

close即关闭文件。

 下面给出代码实例以供参考：

umask(0);       //将umask置0
int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);     //相当于C语言的fopen的"w"，只写、自动创建、自动覆盖
//文件的权限受umask的影响
close(fd);

下面列举一些常用的标记：

  • O_WRONLY        ->只写
  • O_CREAT           ->创建
  • O_TRUNC          ->覆盖
  • O_RDONLY        ->只读
  • O_APPEND        ->追加

需要多个标记组合在一起时，使用 '|'(按位或运算符) 连接即可。

1.2标记位

int类型有4个字节，32个比特位，每一个比特位的0 和 1代表了不同的标记。例如有:......0001与......0010就是两个不同的标记。我们使用代码实例来演示：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define ONE (1<<0)
#define TOW (1<<1)      
#define THREE (1<<2)        
#define FOUR (1<<3)void select(int flags)
{if(flags & ONE) printf("one\n");if(flags & TOW) printf("tow\n");if(flags & THREE) printf("three\n");if(flags & FOUR) printf("four\n");
}int main()
{select(ONE);        select(ONE | TOW);select(ONE | TOW | THREE);select(ONE | TOW | THREE | FOUR);return 0;
}

 也就是说，Linux提供的标记实质上是一个宏，每一个宏代表了不同的信号。

1.3write和read

write是一个系统调用，其声明为([man]指令查看)：

需要注意的是，write()是从文件的起始位置开始写的，如果在open()中没有O_TRUNC或者O_APPEND标记，那么为将文件以前的内容的一部分覆盖掉。也就是说，要想像C语言一样自动清空文件的内的数据必须加上O_TRUNC标记 。

下面给出write的实际使用案例以供参考：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{umask(0);       //将umask置0int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);     //相当于C语言的fopen的"w"，只写、自动创建、自动覆盖if(fd < 0) return 1;char* msg = "hello Linux\n";write(fd,msg,strlen(msg));      //像fd描述的文件写入msg指向的字符串close(fd);return 0;
}

编译运行，查看生成的"log.txt"文件：

read也是一个系统调用，其声明为([man]指令查看)：

这里以上面write生成的文件给出read的实际使用案例以供参考：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{int fd = open("log.txt",O_RDONLY);char buffer[64];read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);       //留一个位置补'\0'buffer[strlen(buffer)]=0;       //文件的字符串不以'\0'结尾printf("%s",buffer);close(fd);return 0;
}

2.文件描述

2.1文件描述符

进程可以打开多个文件，所以操作系统会有大量的文件。操作系统为了管理被打开的文件，使用了"先描述，再组织"的方法将被打开的文件描述为一个struct file的内核结构体，其包含了文件的大部分属性，多个内核结构体之前以特定的数据结构组织起来。

这些struct file结构体并不是文件描述符，而是操作系统为了管理被打开的文件而创建的。事实上，文件操作研究的是进程和被打开文件的关系，也就是说文件是被进程打开的。那么进程和struct file结构体中间还有一层结构体，名为struct files_struct(文件描述符表)，在task_struct中有一个struct files_struct* files指针指向文件描述符表。文件描述表有一个专门用来存储struct file结构体的地址的指针数组(struct file* fd_array[])，这个数组的下标即为文件描述符。

在进程(C语言程序)被加载到内存时，会默认生成打开三个文件(这些文件是C语言使用的，系统是是使用文件描述符的)，即：

  • stdin    ->标准输入
  • stdout    ->标准输出
  • stderr    ->标准错误

这三个文件的struct file结构体的地址依次按顺序存储在struct file* fd_array数组对应的下标0、1、2位置。所以我们用户的进程第一次创建的文件的描述符为3。

下面给出进程与文件的假象模型图：

 2.2文件描述符分配规则

 在struct file* fd_array[]数组中，按下标从小到大的顺序，寻找最小、且没有被占用下标作为文件描述符。

下面给出一段代码供加深理解：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{close(0);close(2);       //关闭掉标准输入和标准错误文件，即清空数组的占用int fd = open("log.txt",O_RDONLY);printf("%d\n",fd);close(fd);return 0;
}

3.重定向

3.1最“挫”的重定向

观察下面这段代码以及现象：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{close(1);       //将fd=1的数组位置清空int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);     //文件打开时就占用fd=1的位置printf("hello world\n");fflush(stdout);close(fd);return 0;
}

以上是最原始的重定向操作。其原因在于：printf()函数是默认向fd=1对应的文件(标准输出)输出的，但是进行close(1)操作后，fd=1位置的内容就清空了，随后log.txt文件的struct file结构体地址占用了fd=1的位置，所以printf就向log.txt文件输出了。 

3.2使用系统调用

dup类接口是系统提供给我们的接口，其中dup2最为常用。我们通过[man]指令查询：

下面给出实际使用案例以供参考：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);dup2(fd,1);     //重定向printf("hello world");fflush(stdout);close(fd);return 0;
}

3.3重定向原理

上层看到的文件描述符是不会变的，例如printf规定了向标准输出输出，即向fd=1对应的文件输出，那么printf找的是文件描述符而不是对应的文件，所以fd的内容无论怎么变，上层找的还是fd。

子进程重定向不会影响父进程，因为进程之间相互独立。即子在进程在创建出来的时候，就拷贝了一份文件描述符表。但是文件不属于进程，是不会拷贝的。

3.4让我们的"shell"支持重定向操作

在上次模拟实现命令行解释器的基础上，再进行升级，以支持重定向操作。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>      
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>#define NUM 1024
#define NON_REDIR 0     //无重定向
#define INPUT_REDIR 1       //输入重定向 '<'
#define OUT_REDIR 2        //输出重定向 '>'
#define APPEND_REDIR 3      //追加重定向 '>>'char command[NUM];      //c99数组
char* myargv[64];       //存储指令参数
char* file_name=NULL;
int redir_type=0;void command_check(char* command)
{assert(command);//首、尾指针char* begin = command;char* end = command+strlen(command);while(begin < end){if(*begin == '>'){*begin=0;begin++;if(*begin == '>'){redir_type=APPEND_REDIR;begin++;}else redir_type=OUT_REDIR;while(*begin == ' ') begin++;file_name=begin;}else if(*begin == '<'){*begin=0;       //置0redir_type=INPUT_REDIR;begin++;while(*begin == ' ') begin++;file_name = begin;}else ++begin;}}
int main()
{while(1){redir_type=NON_REDIR;file_name=NULL;char buffer[1024]={0};getcwd(buffer,sizeof(buffer)-1);        //获取shell的工作路径buffer[strlen(buffer)]=0;printf("[用户名@主机名 %s]",buffer);fflush(stdout);     //刷新缓冲区char* s = fgets(command,sizeof(command),stdin);     //输入指令command[strlen(command)-1]=0;       //清除 \n command_check(command);     //检查指令是否有重定向操作myargv[0] = strtok(command," ");int i = 1;while(myargv[i++] = strtok(NULL," "));      //切割空格if(myargv[0] != NULL &&  strcmp(myargv[0],"cd") == 0){if(myargv[1] != NULL) chdir(myargv[1]);      //cd命令移动shell的工作路径continue;}pid_t id = fork();if(id == 0){switch(redir_type)      //使用switch语句{case NON_REDIR:     //不作处理break;case INPUT_REDIR:       //输入重定向{int fd = open(file_name,O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open:");exit(1);}dup2(fd,0);}break;case OUT_REDIR:case APPEND_REDIR:{umask(0);int flag = O_WRONLY | O_CREAT;if(redir_type == APPEND_REDIR) flag |= O_APPEND;else flag |= O_TRUNC;int fd = open(file_name,flag,0666);if(fd < 0){perror("open:");exit(1);}dup2(fd,1);}break;default:break;}execvp(myargv[0],myargv);        //进程替换exit(1);}waitpid(id,NULL,0);}return 0;
}

文件描述符表是属于进程的并且是一个内核数据结构，进程替换是不会影响它的，进程替换只是替换数据段和代码段，是不影响内核数据结构的。

对于文件的关闭，在进程退出时自动关闭。其本质还是在于struct file里面的计数器，这个计数器记录有多少个进程正在引用这个struct file，当进程退出时，计数器就会减1，当计数器为0才文件才销毁。

4.一切皆文件

不止是磁盘上的可执行文件被打开才是文件，硬件也是文件。键盘、鼠标、显示器、内存、硬盘等等都是文件。

操作系统能够使用驱动来管理硬件，那么在驱动上，就一定有硬件与操作系统的IO交互方法。那么在内核中，都有唯一的一份struct file内核结构体对应硬件，以便操作系统管理。所以在Linux的视角来看，一切皆文件。

那么在上层想要与硬件互动时，也是通过struct file结构体实现的，其原因在于此结构体有硬件与操作系统IO交互方法的函数指针，通过这些函数指针去调用不同的交互方式。

发现了吗？即使磁盘上的各种可执行文件或者是硬件非常杂乱，但是在操作系统下总是能有序的抽象化成一个struct file结构体来进行管理。也就是说，我们通过统一的struct file结构体(其中描述了文件的共有属性)来操作不同的文件。用官方的话说(参考Linux内核设计与实现原理)：我们可以直接使用open()、read()和write()这样的系统调用而无需考虑具体文件系统和实际物理介质。这样的行为就构成了内核的子系统——虚拟文件系统(VFS)。

5.缓冲区

5.1缓冲区的本质

缓冲区就是内存上的一段，专门用来做缓存工作(将进程的数据拷贝到缓冲区)。

需要缓冲区的原因在于：将数据直接写入外设的效率是非常低的(外设的处理速度相对于cpu的处理速度慢了几千几万倍)，当大量进程和大量数据时，进程更多的时间花费在与外设的交互上。

将数据先交给缓冲区，与外设的交互由缓冲区去完成，那么进程就不再被外设“耽搁”了。那么节省进程进行IO的时间就是缓冲区的本质。

5.2缓冲区的刷新策略

缓冲区的刷新有三个策略和两个例外。

三个策略：

  • 无缓冲：当数据写入时，立即刷新缓冲区。
  • 行缓冲：数据每写入一行，缓冲区刷新一次。
  • 全缓冲：数据一直写入直至缓冲区满，此时再刷新。

两个例外：

  • 用户强制刷新(例如fflush)就会立即刷新缓冲区。
  • 进程退出时，一般都要进程缓冲区的刷新。

5.3缓冲区的位置

调用C语言库函数exit时会刷新缓冲区；调用系统调用_exit时不会刷新缓冲区(上一篇博客讲到的)。可以证明，缓冲区的位置不在内核当中。

在使用C语言编程时，缓冲区的位置在FILE结构体中(由C语言提供)。FILE结构体里面封装了缓冲区字段、文件描述符字段等等，由此可见，在上层使用C语言编程时，调用的都是底层的接口。也因此可以得出一个结论：使用系统调用与外设进行IO交互数据不会写入缓冲区(因为系统调用可以直接使用操作系统提供的fd，而不需要使用C语言的FILE结构体)。

5.4缓冲区与写时拷贝

给出一段代码，观察向不同的外设写入数据时产生的不同效果：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{const char* msg_write="write\n";const char* msg_fprintf="fprintf\n";const char* msg_fwrite="fwrite\n";printf("printf\n");fwrite(msg_fwrite,sizeof(char),strlen(msg_fwrite),stdout);fprintf(stdout,"%s",msg_fprintf);fputs("fputs\n",stdout);write(1,msg_write,strlen(msg_write));       //这五个函数都是向标准输出输出fork();     //创建一个子进程return 0;
}

其原因在于：正常运行程序时，是向标准输出输出的，缓冲区采用的是行刷新策略(write除外)，所以当创建子进程之前，父进程的缓冲区数据已经被刷到标准输出了，创建子进程后，子进程的缓冲区与父进程共享，即子进程的缓冲区没有数据，进程退出时即使刷新缓冲区也不会触发写时拷贝。 

当输出重定向到文件时，缓冲区采用的是全缓冲策略(write除外)，所以创建子进程后父进程的缓冲区依然有数据(wtire的数据不经过缓冲区直接输出到了文件上)，子进程共享父进程的缓冲区，而这两个进程任意一个进程退出时，会触发缓冲区的刷新，此时就会触发写时拷贝，也就看到了上面的现象。

5.5模拟实现“缓冲区”

为了加深理解，这里展示一个超级、无敌、极限、超纯净阉割版的缓冲区模拟实现。

//头文件#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <error.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>#define SIZE 1024#define ALL 0       //全缓冲策略
#define LINE 1      //行刷新策略(暂时只实现一个吧)
typedef struct _FILE
{int flags;      //缓冲区刷新策略int fileno;     //文件描述符char cush[SIZE];        //缓冲区int size;       //有效数据int cap;        //最大容量
}_FILE;_FILE* _fopen(const char* filename,const char* mode);       //模拟fopen
void _fclose(_FILE* fp);     //模拟fclose
void _fflush(_FILE* fp);        //模拟fflush
void _fwrite(const char* msg,int size,int len,_FILE* fp);     //模拟fwrite
//源文件#include "_stdio.h"_FILE* _fopen(const char* filename,const char* mode)       //模拟fopen
{int flags=0;if(strcmp(mode,"w") == 0){flags |= (O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);}else if(strcmp(mode,"r") == 0){flags |= O_RDONLY;}else if(strcmp(mode,"a") == 0){flags |= (O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND);}//上面在确认文件打开方式int fd=0;if(flags & O_RDONLY) fd=open(filename,flags);else fd=open(filename,flags,0666);if(fd < 0){const char* msg=strerror(errno);write(1,msg,strlen(msg));return NULL;    //创建文件失败}//上面在创建文件_FILE* fp = (_FILE*)malloc(sizeof(_FILE));fp->flags=LINE;     //默认行刷新fp->fileno=fd;fp->size=0;fp->cap=SIZE;memset(fp->cush,0,SIZE);//上面在初始化_FILE结构体return fp; 
}void _fclose(_FILE* fp)     //模拟fclose
{_fflush(fp);close(fp->fileno);
}void _fflush(_FILE* fp)        //模拟fflush
{if(fp->size > 0){write(fp->fileno,fp->cush,fp->size);fp->size=0;}
}void _fwrite(const char* msg,int size,int len,_FILE* fp)     //模拟fwrite
{//size没什么乱用，对齐fwrite而已memcpy(fp->cush+fp->size,msg,len);fp->size+=len;//行刷新if(fp->cush[fp->size-1] == '\n'){write(fp->fileno,fp->cush,fp->size);fp->size=0;}else if(fp->size == fp->cap){write(fp->fileno,fp->cush,fp->size);fp->size=0;}}

//主函数#include "_stdio.h"#include <stdio.h>
int main()
{_FILE* fp = _fopen("log.txt","w");const char* msg="hello Linux\n";int cnt = 10;while(cnt){_fwrite(msg,sizeof(char),strlen(msg),fp);printf("count:%d\n",cnt--);sleep(1);}_fclose(fp);return 0;
}

 读者自行将上面的代码copy走，将主函数的msg字符串的'\n'删除掉或保留，在Linux终端下观察文件的数据情况。

 


http://chatgpt.dhexx.cn/article/tn8qepUE.shtml

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