Linux 文件操作介面

2022 年 10 月 21 日
筆記
C語言, linux

Linux 文件操作介面

在使用語言編寫服務的時候不乏會遇到需要對文件進行操作的場景，Linux內核是用C語言寫的，了解Linux之前先熟悉一下C語言文件操作介面，方便對比。

C語言文件操作介面

C語言文件描述

#ifndef _FILE_DEFINED
struct _iobuf {
　　　　char *_ptr; //文件輸入的下一個位置
　　　　int _cnt; //當前緩衝區的相對位置
　　　　char *_base; //指基礎位置(即是文件的起始位置) 
　　　　int _flag; //文件標誌
　　　　int _file; //文件描述符id
　　　　int _charbuf; //檢查緩衝區狀況,如果無緩衝區則不讀取
　　　　int _bufsiz; //文件緩衝區大小
　　　　char *_tmpfname; //臨時文件名
       };
typedef struct _iobuf FILE;
#define _FILE_DEFINED
#endif

C語言對文件操作需要的數據都存在這樣的數據結構里，C語言對文件操作時，用一個數據結構唯一標識一個文件流

fopen()

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

返回值為文件流結構體指針，當打開失敗時返回NULL指針。
對文件操作前需先打開文件，打開文件使用介面fopen()。

參數：
path: 文件路徑，可以是相對路徑也可以是絕對路徑(默認為進程打開時路徑)
mode: 打開方式

模式	含義	文件不存在時
r	只讀	報錯
w	只寫	創建文件
a	追加只寫	創建文件
rb	二進位只讀	報錯
wb	二進位只寫	創建文件
ab	二進位追加只寫	創建文件
r+	讀寫	報錯
w+	讀寫	創建文件
a+	追加讀寫	創建文件
rb+	二進位讀寫	報錯
wb+	二進位讀寫	創建文件
ab+	二進位追加讀寫	創建文件

以上打開模式凡帶‘b’操作的打開文件時都會清空文件。

r模式打開文件

)
文件不存在時打開失敗

文件存在時打開成功

w模式打開文件

自動創建需要打開的文件

打開後會清空文件

a模式打開文件

以a模式打開文件不存在時創建文件，存在時在文件末尾寫入內容。

其他模式類似

fclose()

C語言程式設計師要養成用完即釋放的好習慣盡量避免記憶體泄漏，fclose() 介面就是用來關閉文件流的。

int fclose(FILE *fp);

關閉介面參數簡單，只需將需要關閉的文件流指針傳入即可。

fwrite()

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

參數：
ptr: 寫入文件的內容
size: 寫入單位數據大小(byte)
number: 寫入數據總數
stream: 文件流

寫入操作傳參如圖

fread()

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

參數類似fwrite()
ptr 為要讀入文件內容的容器，必須提前開好空間，number 不得大於實際開好的空間

讀文件操作如圖

系統文件操作介面

文件描述符fd

文件描述符可以唯一標識該進程打開的流。

open()

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

參數：
pathname: 文件路徑，默認為進程創建時的路徑
flags: 決定文件打開模式
mode: 創建文件時文件許可權

理解標記位原理

電腦中所有數據都由比特位組成，一個整形有32個比特位，用一位作為標記，一個int類型可以攜帶32個標識，並且可以隨意組合。
如下操作，想完成什麼操作傳入對應的標記即可。

open()的常用標記

標記	含義
O_RDONLY	只讀
O_WRONLY	只寫
O_RDWR	讀寫
O_APPEND	追加
O_CREAT	創建文件
O_TRUNC	清空文件

將只讀標記和創建文件標記傳入open()介面，創建文件如圖。文件創建出來了，但可以看出它的許可權是亂的，可見這個介面不足以像fopen() 一樣打開文件。

使用另一個介面創建出來許可權正常的文件，但許可權還不是如我們所設想的設置什麼許可權碼就創建什麼許可權文件。此問題與許可權掩碼umask有關

許可權碼與umask取反再按位與最後得到的許可權碼才是最終許可權碼，若需只在該程式重設umask 只需使用介面umask:

mode_t umask(mode_t mask);

參數mask為想要重設的許可權掩碼

現在所創建的文件許可權就全如程式設計師所願了。

write()

系統寫文件操作介面

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

操作與fwrite() 基本一致，參數buf 類型為void* ,count 為要寫入內容大小(byte)。

寫入成功，但如上打開方式還有一個隱患：

後寫入的內容並不會在空文件寫入，而是會在已有內容上進行覆蓋，這樣的操作可不像C語言的w操作，針對此問題可以再加一個標誌O_TRUNC

如此才可和C語言的fopen() 的 w 操作一致

read()

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

read()參數與write() 基本一致，與fread() 操作相差不多，需要buf 提前開好空間

當文件不存在時：

如此，效果與fread() 一致

close()

使用完文件後需得關閉文件，盡量防止記憶體泄漏，使用close()介面

int close(int fd);

兩種操作介面聯繫

作業系統設計時為了安全任何高級語言操作文件都不能繞過作業系統，用戶對文件操作只能通過作業系統提供的介面，而Linux作業系統內核主要用C語言編寫，提供的介面也是用C語言編寫的，C語言用戶可以直接使用。C語言操作文件也需通過作業系統提供的介面，因此C語言的文件操作介面是對系統文件介面進行封裝後暴露出來的。
但既然已經有系統介面了為什麼還要C語言文件操作介面，此問題原因有幾個：

使用不方便(對比之前的fopen()和open())

C語言是跨平台語言，若使用系統文件操作介面，同一份程式碼移植到其他平台將會編譯不通過，使用封裝後的介面，可以完美解決這個問題

高級語言都是用自己的語言特性封裝系統介面來操作文件

系統介面	語言介面
open(const char* path, O_WRONLY \| O_CREAT \| O_TRUNC)	fopen(const char* path, “w”)
open(const char* path, O_RDONLY)	fopen(const char* path, “r”)
open(const char* path, W_WRONLY \| O_CREAT \|O_APPEND)	fopen(const char* path, “a”)
close(int fd)	fclose(FILE* fStream)
write(fd, const void* buf, size_t count)	fwrite(const void* ptr, size_t size, size_t number, FILE* fStream)
read(fd, void* buf, size_t count)	fread(void* ptr, size_t size, size_t number, FILE* fStream)

C語言對封裝的介面跨平台解決辦法
條件編譯 + 窮舉

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