【Linux】从open到write：系统文件I/O 的奥秘与实战指南
文章目录
- 1.经典回顾C文件接口
- 1.2 fwrite
- 1.2 fread
- 2. 系统文件I/O
- 2 open函数
- 2.1 参数介绍：
- 2.2 返回值（文件描述符）
- 2.2.1 文件描述符的分配规则
- 2.2.2 重定向
- 3. write函数
- 4. read函数
- 5. 总结
1.经典回顾C文件接口
在使用C语言时，我们需要访问文件通常会用到fopen、 fwrite、和fread还有fclose等函数。
1.2 fwrite
比如此时我需要往文件中写入一些信息：
#include 执行结果：
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/FILETEST$ cat test.txt
i am yui~
i am yui~
i am yui~
i am yui~
i am yui~
1.2 fread
下面再来读一读文件中的内容：
#include 输出结果：
i am yui~
i am yui~
i am yui~
i am yui~
i am yui~
2. 系统文件I/O
除了利用上述C接口，我们还可以采用系统接口来访问文件。
系统文件 I/O（输入/输出）是指在操作系统层面进行文件的读写操作。在 Linux 和其他类 Unix 系统中，系统文件 I/O 通常通过系统调用（system call）完成。与 C 标准库的文件 I/O 函数（如 fopen、fread、fwrite）相比，系统文件 I/O 提供了更底层的控制和更高的效率，但操作也稍显复杂。
为了更好的理解系统文件I/O，我会用系统接口来实现上面的功能，并进行讲解。
#include 2 open函数
因为现在我们需要用系统接口来打开文件，那么我们会用到open函数而不是fopen函数。
open 函数是 Unix 和类 Unix 操作系统中的一个系统调用，用于打开文件并返回一个文件描述符。这个文件描述符用于后续的文件操作，如读、写、关闭等。相比 C 标准库的 fopen 函数，open 提供了更底层的控制，更适合系统级编程。
#include 2.1 参数介绍：
pathname：要打开的文件的路径。flags：指定文件打开模式和行为的标志，决定文件的打开方式。mode：新文件的权限掩码，仅在O_CREAT标志创建文件时生效，指定文件的访问权限。
这之中的flags要好好聊聊。- 访问模式（必须包含一个）：
O_RDONLY：只读模式打开文件。O_WRONLY：只写模式打开文件。O_RDWR：读写模式打开文件。
O_RDONLY、O_WRONLY和O_RDWR中只能选择一个，它们控制文件的基础读写权限。
- 文件创建和控制：
O_CREAT：若文件不存在，则创建文件。此标志常与mode参数一起使用来指定文件的权限。O_EXCL：必须与O_CREAT组合使用。如果文件已存在，则返回错误，避免重复创建。这种组合常用于创建唯一文件。O_TRUNC：如果文件存在，并且是以写模式（O_WRONLY或O_RDWR）打开，文件长度会被截断为 0。O_APPEND：追加模式，写入操作时，文件指针会自动移动到文件末尾，适合日志记录等追加写入的场景。
- 非阻塞和同步控制：
O_NONBLOCK：以非阻塞模式打开文件。对一些特殊文件（如设备文件）有效，适合需要立即返回结果的场景。O_SYNC：同步写入模式，确保数据立即写入磁盘。每次write操作都不会缓存到内存，而是直接刷新到存储设备，适合数据持久性要求高的场景。O_DSYNC：数据同步，类似O_SYNC，但只同步数据而不包括文件元数据（如最后修改时间）。O_RSYNC：同步读模式，和O_SYNC类似，但影响的是read操作。
我们需要选择合适的功能将它们进行|的操作，因为底层是用状态压缩来实现的，通过位运算（位掩码）来实现，使得每一个标志可以独立设置或清除，而不需要为每种组合单独存储。
在下面的写入操作我们只需要选择O_WRONLY|O_CREAT就可以了。
2.2 返回值（文件描述符）
- 成功时，
open返回一个文件描述符（非负整数），用于后续的文件操作。 - 失败时返回
-1，并设置errno来指示错误原因。
这里的返回值也很有说法，
文件描述符（File Descriptor, FD）是操作系统分配的一个整数，用于表示每一个打开的文件或 I/O 资源。在 Unix 和类 Unix 系统（如 Linux）中，文件描述符是进程和内核之间进行文件或资源操作的桥梁，几乎所有的 I/O 操作都是通过文件描述符来完成的。
文件描述符是一个非负整数，每个进程有一个文件描述符表来管理文件描述符。打开文件时，操作系统会分配一个文件描述符，用于标识这个文件。该文件描述符可以用于后续的读、写、关闭操作。文件描述符不仅用于文件，也可以表示其他 I/O 资源，如管道、网络套接字、设备文件等。
每个进程在启动时，通常有三个默认的文件描述符，它们称为标准文件描述符：
- 标准输入（stdin）：文件描述符为
0，用于从用户或输入源读取数据。 - 标准输出（stdout）：文件描述符为
1，用于向终端或输出源输出数据。 - 标准错误（stderr）：文件描述符为
2，用于向终端输出错误信息。
0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器。
了解完这些后，我们就可以直接利用文件描述符来直接向显示屏输出数据了。
#include 从这段代码我们也可以更加清晰地认识到Linux下的一切皆文件。
一些底层知识：
文件描述符是从0开始地小整数，当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相对应地数据结构来描述目标文件，于是就有了file结构体来表示一个已经打开地文件对象。而进程执行open系统调用，必须让进程和文件关联起来。每一个进程都有一个指针*file，指向一张表file_struct该表最重要地部分包含一个指针数组，每个元素都是一个指向文件地指针。本质上文件描述符就是该数组地下标，所以只要拿着文件描述符就可以找到对应地文件。
2.2.1 文件描述符的分配规则
先看代码：
#include 结果是3。
那么当我们关闭0这个文件描述符试试看呢?
#include 结果是0，你猜到了吗。
由此可见，文件描述符的分配规则：在file_struct数组当中，找到当前没有直接使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。
最后在来看看重定向
2.2.2 重定向
现在我们将标志输出1给关闭了，然后再打开一个文件再往里面写点东西，看看会发生什么。
#include 打开myfile发现，文件中存在fd:1。
也是就说，本该再显示屏中显示的内容被写进了myfile文件。我们把这种现象叫做重定向。常见的重定向>, >>, <
重定向的本质：
3. write函数
write 函数是 Unix 和 Linux 系统中进行文件写入操作的系统调用，用于将数据从用户空间的缓冲区写入到文件或设备（例如文件、管道、网络套接字）中。write 是一种底层 I/O 操作，它绕过标准 I/O 缓冲区，直接写入文件描述符指向的目标，常用于处理系统资源的原始数据读写。
语法：
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数说明：
fd：文件描述符，表示要写入的目标文件或设备（例如STDOUT_FILENO表示标准输出）。buf：缓冲区指针，指向要写入的数据。count：要写入的字节数，指定从buf中读取多少字节写入fd。
返回值：- 成功时，返回实际写入的字节数（
ssize_t类型）。 - 失败时，返回
-1，并设置errno变量来指示错误原因。
4. read函数
read 是 Unix 和 Linux 系统中的一个系统调用，用于从文件或其他输入资源（如管道、网络套接字等）中读取数据到用户提供的缓冲区中。与 write 相对应，read 直接从文件描述符中获取数据，不经过标准 I/O 缓冲区，适合低级别的 I/O 操作。
语法：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
参数说明：
fd：文件描述符，表示要读取的文件或输入资源（例如STDIN_FILENO表示标准输入）。buf：缓冲区指针，指向读取到的数据将要存放的位置。count：期望读取的字节数，即buf的大小。
返回值：- 成功时，返回实际读取的字节数（
ssize_t类型）。- 若返回 0，表示读取到文件末尾（EOF）。
- 失败时，返回
-1，并设置errno来指示错误原因。
5. 总结
fopen、fclose、fread、fwrite这些都是C语言标准库的函数，也就是库函数。
open、close、read、write都是系统提供的接口，也就是系统调用接口。
而这部分库函数会区调用系统接口。
可以认为，f*系列的函数，都是对系统的封装，方便二次开发。
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