Linux 文件接口和文件管理

目录

一、回顾c语言文件操作

二、系统调用的文件操作

系统调用文件接口

open：

close：

write：

代码测试：

​编辑

​编辑

read：

语言和系统函数间的关系：

flags的实现思路

三、OS内文件的管理

语言角度理解文件描述符

代码测试

进程角度理解文件描述符

文件打开的存储方式

代码测试

把硬件当文件开看待

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一、回顾c语言文件操作

创建一个文件是在磁盘中创建的在没有写入时，它的大小是0，但这个文件任然占据了磁盘空间。文件=属性+内容。文件需要属性来描述它的大小、修改时间、权限等，占据磁盘空间的就是文件的属性。

我们在使用c语言的fopen打开文件会返回一个FILE的结构体指针，在语言角度上这个FILE就是这个文件，我们通过对FILE的操作达到对文件的管理。

fopen有三种重要的打开方式：

如果忘了这些文件的操作可以看一下我前面的博客：CSDN

对于打开文件无论是vim打开，还是执行代码打开，本质上都是进程在打开文件。

二、系统调用的文件操作

文件是再硬盘上的，对硬件的管理只能由OS完成，我们使用OS必须通过OS提供的系统调用。

显然fopen的实现肯定是使用了系统调用接口，我们打开文件也可以使用系统调用接口。

系统调用文件接口

open：

打开文件

参数介绍：

pathname：要打开或创建的目标文件（和fopen打开文件所传第一个参数一样）

flags：打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行“或”运算，构成flags（fopen那些w的不同打开方式，就是使用是flags不同的值完成的）。

flags参数：

• O_RDONLY: 只读打开
• O_WRONLY: 只写打开
• O_RDWR : 读，写打开
• 上面这三个常量，必须指定一个且只能指定一个
• O_CREAT : 若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明新文件的访问权限
• O_APPEND: 追加写

mode：创建文件时需要mode来设置文件的权限，不需要创建文件就不需要mode。

返回值：成功，返回文件描述符，失败返回-1。

close：

关闭文件，传入文件描述符关闭对应的文件。

write：

输出函数

参数介绍：

fd：文件描述符

buf：需要输出的对象

const：输出对象的空间大小

代码测试：

使用上面这些函数达到和使用fopen打开一个不存在的文件，并写入一些内容的效果：

int main()
{int fp = open("test1.txt",O_WRONLY | O_CREAT);const char* message = "hello file\n";write(fp,message,strlen(message));close(fp);return 0;
}

传字符串大小时不要把'\0'也传进去，最好用strlen拿到大小。

文件是创建出来了，但它的权限确实两个x一个T？这也就无法读文件。这是因为没有使用带mode参数的open，mode是设置文件权限，没有mode创建出来的文件的权限介绍一堆乱码。

现在文件就可以被打开了，但仔细看test1.txt的权限就会发现和我们设置的权限是不一样的。这是因为umask它会改变文件的权限，在c语言中也可以设置当前程序的umask。

umask是系统函数，不需要管它的返回值，当前程序设置完umask，这个umask的值就只会在当前进程中使用，不会改变bash的umask。

int main()
{umask(0000);int fp = open("test1.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);const char* message = "hello file\n";write(fp,message,strlen(message));close(fp);return 0;
}

read：

输入函数，读文件。

它的参数和使用方法跟write是一样的，不过是从给文件数据，变成了拿文件数据。

语言和系统函数间的关系：

通过上面的使用就能感觉出来，c语言文件类的函数是封装了系统文件的函数，这有两个好处：

1、使用上变的更简单了，学习成本得到了降低。

2、Linux有自己的系统调用函数，window也有自己的调用函数，可能实现思路是一样的，但参数、命名和一些小功能上是会存在差异的。c语言（各个语言都是）编写库的时就会将各个系统之间的文件函数（不限于文件函数），单独做处理，封装成统一的函数让我们使用，语言这时就有了跨平台性，我们在不同系统下编写代码就不需要重新学习不同的文件函数了。

flags的实现思路

flags是让文件以不同的方式打开，每种方式就有开和关两种状态，这里是使用了一个整形，整形的每一个二进制位都对应的是不同的方式（不是32位都使用了，状态也没那么多），通过判断当前位上是否为1，决定执行这一位的功能是否执行。

实现一段简单的代码来完成上面描述的功能：

#include<stdio.h>#define one 1
#define tow 2
#define three 3
#define four 4void print(int flags)
{if(flags>>0 & 1) //右边第一位是否右值{printf("flags : first place\n");}if(flags>>1 & 1) //右边第二位{printf("flags : second place\n");}if(flags>>2 & 1) //第三位{printf("flags : third place\n");}if(flags>>3 & 1) //四{printf("flags : fourth place\n");}
}int main()
{print(one);printf("\n");print(one | three);printf("\n");print(tow | three | four);return 0;
}

把函数内的printf换成文件打开的不同功能，就能实现处fopen的不同方式打开文件。

三、OS内文件的管理

语言角度理解文件描述符

fopen返回的是一个结构体FILE，open返回的却是一个整形，先来看看这个整形存放的是上面。

int main()
{int fp1 = open("test1.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0664);printf("fp1 : %d\n",fp1);int fp2 = open("test2.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0664);printf("fp2 : %d\n",fp2);int fp3 = open("test3.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0664);printf("fp3 : %d\n",fp3);int fp4 = open("test4.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0664);printf("fp4 : %d\n",fp4);close(fp1);close(fp2);close(fp3);close(fp4);return 0;
}

可以观察到打开的文件返回值就像排列好的一样，但它并不是从0开始的。c语言默认是打开三个输入输出流：stdin（输入流：键盘）、stdout（输出流：显示器）、stderr（标准错误，输出流：显示器）。Linux下一切皆文件，这里也可以用到c语言上，它将显示器和键盘看做了文件，我们使用的printf和scanf也就是将数据写入stdout和读取stdin。这三个文件在底层自然也是使用open打开，它们分别对应的就是0（标准输入：键盘）、1（标准输出：显示器）、2（标准错误：显示器），这个进程打开其他的文件也就依次跟在后面，每个文件都对应的是唯一的值，我们对文件的操作就变成了对这些值的操作，这些值被称作文件描述符。

代码测试

对1文件进行写入：

int main()
{const char* s= "hahaha\n";write(1,s,strlen(s));return 0;
}

结果就和printf打印一样。

现在知道了文件描述符本质是文件的映射，我们在来站在进程的角度看看是如何映射的。

进程角度理解文件描述符

文件打开的存储方式

文件只能被进程打开，进程是可以打开多个文件，那这些文件肯定是要被管理起来的，Linux中管理这种存在很多统一信息类型，但值不同的对象，会采用先描述，再组织的理念。

描述文件的信息，那不就是文件的属性吗？根据冯诺依曼体系，哪怕是只打开文件也需要将文件加载到内存中，OS就给文件创建了一个struct file的结构体描述文件，再使用链表的形式组织起来。但文件的数据不会存放到内存中，OS会给每个文件开辟一块空间文件内存级的缓存，我们无论是读还是写，都需要将进程的数据放到里面或是磁盘文件的数据拷贝到里面，间接进行对文件的修改。

但是每个进程的文件描述符都是像下标一样连续的，bash内的进程有很多个，进程不可能组织着去打开文件让进程所需文件连在一起。所以OS就给每个进程创建了一个struct files_struct*指向一个结构体，这个结构体里存放了一个struct file*的数组，这个数组前三个元素自然就是0、1、2三个流文件，每打开一个文件就将这个文件放入到数组中，文件描述符也就是这个数组的下标，对应的是不同文件。

文字还是很难理体会到它是如何储存的，来通过图片感受一下：

再来看open打开文件是在做什么：

1. 创建file
2. 开辟文件内存级的缓存
3. 查看进程的文件描述符标（struct file*[]）
4. 把file地址填入对应的表中
5. 返回下标

代码测试

文件描述符的变化：

int main()
{close(0);close(2);int fp = open("test1.txt",O_WRONLY);printf("fp : %d\n",fp);close(fp);return 0;
}

发现是结果是： fd: 0 或者 fd 2 可见，文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。

把硬件当文件开看待

虽然Linux内一切皆文件，但把硬件这种实质性的东西当文件来处理，还是有些抽象。硬盘中的文件创建file，是有文件属性可以填写的，硬件呢？

OS是通过驱动层来管理硬件的，驱动层一般由各个硬件厂商提供接口，这些接口有硬件的基本信息（品名、型号、电压电流大小等）和修改硬件数值的函数（比如修改鼠标的DPI）。file内这些基本信息使用struct device封装，函数使用函数指针去指向它们，将这些函数指针称为方法表。

有的设备没有读写或其他一些功能，那file内对应函数的函数指针就置为空，表示没有这种功能。