【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。
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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