OS30.【Linux】文件IO (1) open、write和close系统调用

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1.复习

2.区分C语言的字符串和文件中的字符串

3.三个默认打开的流

示例代码

使用系统调用操作文件

open

宏的组合

原理解释

使用方法

第3个参数mode

mode_t的类型解释

使用

方法1:使用系统调用临时设置umask+0666

方法2:使用系统调用临时设置umask+S开头的宏

close

write

ssize_t类型的解释

使用

write默认从文件起始位置写入

截断写入

追加写入

4.回顾C语言fopen的第二个参数

mode和宏的对应

1.复习

1.在OS2.【Linux】基本指令入门(1)^[1]文章讲过: 文件=文件内容+文件属性

2.文件可以按是否打开进行分类 1.打开的文件 2.未打开的文件(在磁盘上)

文件打开需要借助进程,因此研究打开的文件必定研究进程和文件的关系

那么未打开的文件需要借助进程转为打开的文件,需要先找到文件,然后将文件载入内存(这是冯依诺曼体系结构规定的)让进程处理

3.C语言的文件操作参见以下文章回顾:

74.【C语言】文件操作(1)^[2]

75.【C语言】文件操作(2)^[3]

77.【C语言】文件操作(3)^[4]

79.【C语言】文件操作(4)^[5]

88.【C语言】文件操作(5)^[6]

89.【C语言】文件操作(6)^[7]

提醒: 使用fopen()打开文件的路径和文件名,默人在当前路径下新建一个文件,之前讲过当前路径可以在进程的cwd中获取,也可以通过修改cwd(比如chdir系统调用)来修改文新建的位置

4.由之前的C语言的文件操作知识可知: 一个进程可打开多个文件,而操作系统上有大量进程,这些进程多多少少都需要打开一些文件,那么操作系统内部一定有大量打开的文件

5.为了管理好这些打开的文件,需要先描述再组织,"描述"可以使用结构体,结构体中可以填写文件的属性(具体细节后面会讲),"组织"可以用各种数据结构

6.输出重定向和输入重定向符: 参见OS3.【Linux】基本指令入门(2)^[8]文章

注意:单个的输出重定向符号>会先清空文件,而不是追加

从文件打开的模式来看:重定向符号>以w( 截断 )模式写入,即清空文件并从头开始写入,而>>以a(追加)模式写入

2.区分C语言的字符串和文件中的字符串

例如以下代码:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
const char* str="teststring";
//FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );
    FILE* fptr=fopen("test.txt","w");//w选项会先清空文件
if (fptr==NULL)
    {
perror("fopen fail");
return -1;
    }
//size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );
fwrite(str,strlen(str)+1,1,fptr);
fclose(fptr);
return 0;
}

运行结果:使用HxD打开test.txt

Ubuntu服务器下用nano打开:

Win11的记事本打开:

Win10的记事本打开:

Win7的记事本打开:

WinXP的记事本打开:

Win2003的记事本打开:

可以看到:如果文本的字符串加了\0,\0对于用户来说是不可见字符,但却被某些系统解释为了乱码,

Linux操作系统上的文件写入null(\0)以后就会乱码,而windows能正常检查到null的

因此不建议使用strlen(str)+1向文本文件写入格式化的字符串!

结论: C语言的字符串会以\0结尾,但是文件中的字符串并没有规定要以\0结尾

3.三个默认打开的流

如果C程序有stdio库,那么在运行时会默认打开3个流,它们的类型都是FILE*,则stdin、stdout和stderr都指向文件)

stdin指向键盘文件

stdout:指向显示器文件

stderr:指向显示器文件

示例代码

向终端写入字符可以向stdout写入,可以借助fprintf:

int fprintf(FILE *restrict stream,const char *restrict format, ...);

除了第一个参数是文件指针,其余的参数和printf相同

例如以下代码:

#include <stdio.h>
int main()
{
fprintf(stdout,"Hello World!\n");
return 0;
}

运行结果:

使用系统调用操作文件

前面讲过: 未打开的文件是放在磁盘上的,想要打开文件就要访问磁盘,而磁盘属于硬件

回顾之前在OS16.【Linux】冯依诺曼体系结构和操作系统的浅层理解^[9]文章提到的图:

程序不能直接访问硬件 ,因为操作系统不能让用户访问硬件,防止破坏系统,那么打开文件需要系统调用的帮忙

open

需要包含<fcntl.h>

open系统调用作用: 打开或创建文件,返回值为文件描述符(含义后面讲),如果open系统调用失败,返回-1

建议:

如果文件已经存在,建议用int open(const char *pathname, int flags);

如果要新建文件再打开,建议用int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

注:

1.pathname是文件路径

2.flags可以选 O_ASYNC、O_CLOEXEC、O_CREAT、O_DIRECT、......

本文讲O_RDONLY、O_WRONLY、 O_RDWR、O_CREAT、O_TRUNC、O_APPEND用法

O_RDONLY全称Open_ReaDONLY(只读)

O_WRONLY全称Open_WriteONLY(只写)

O_RDWR全称Open_ReaDWRite(读+写)

O_CREAT全称Open_CREAT(新建文件)

上面大写的其实是宏,可以在glibc-2.4.2的bits/fcntl.h中找到

/* File access modes for `open' and `fcntl'.  */
#define  O_RDONLY  0  /* Open read-only.  */
#define  O_WRONLY  1  /* Open write-only.  */
#define  O_RDWR    2  /* Open read/write.  */


/* Bits OR'd into the second argument to open.  */
#define  O_CREAT    0x0200  /* Create file if it doesn't exist.  */
#define  O_EXCL    0x0800  /* Fail if file already exists.  */
#define  O_TRUNC    0x0400  /* Truncate file to zero length.  */
#define  O_NOCTTY  0x8000  /* Don't assign a controlling terminal.  */
#define  O_ASYNC    0x0040  /* Send SIGIO to owner when data is ready.  */
#define  O_FSYNC    0x0080  /* Synchronous writes.  */
#define  O_SYNC    O_FSYNC
#ifdef  __USE_MISC
#define  O_SHLOCK  0x0010  /* Open with shared file lock.  */
#define  O_EXLOCK  0x0020  /* Open with shared exclusive lock.  */
#endif
#ifdef __USE_XOPEN2K8
# define O_DIRECTORY  0x00200000  /* Must be a directory.   */
# define O_NOFOLLOW  0x00000100  /* Do not follow links.   */
# define O_CLOEXEC  0x00400000      /* Set close_on_exec.  */
#endif
#if defined __USE_POSIX199309 || defined __USE_UNIX98
# define O_DSYNC  0x00010000  /* Synchronize data.  */
# define O_RSYNC  0x00020000  /* Synchronize read operations.   */
#endif

宏 的组合

例如定义以下宏:

#define ONE (1)
#define TWO (2)
#define FOUR (4)
#define EIGHT (8)

可以使用或运算符组合这些宏(比特方式传递标志位),例如以下代码:

int main()
{
int flags=ONE|FOUR|EIGHT;
if (flags&ONE)
printf("1\n");
if (flags&TWO)
printf("2\n");
if (flags&FOUR)
printf("4\n");
if (flags&EIGHT)
printf("8\n");
return 0;
}

运行结果:

原理解释

上方代码定义的宏都有一个特点,都是从1左移而来的

1==1<<0
2==1<<1
4==1<<2
8==1<<3

当flags=ONE|FOUR|EIGHT时,执行到if (flags&ONE)时,有:

   ONE|FOUR|EIGHT&ONE
==(1<<0)|(1<<2)|(1<<3)&(1<<0)

bits/fcntl.h也有这样使用或运算组合的定义:

/* Mask for file access modes.  This is system-dependent in case
   some system ever wants to define some other flavor of access.  */
#define  O_ACCMODE  (O_RDONLY|O_WRONLY|O_RDWR)//组合了3个功能

注:宏必须是2的次方才可以使用位运算组合宏,bits/fcntl.h中的flags宏也是这样定义的,不是2的次方的情况可以自行验证

使用方法

例如以只读形式打开:

int fd=open("test.txt",O_RDONLY);
if (fd==-1)
{
perror("open failed");
return -1;
}

例如以读+写的形式打开:

既可以用或运算组合功能:

int fd=open("test.txt",O_RDONLY|O_WRONLY);
if (fd==-1)
{
perror("open failed");
return -1;
}

也可以直接使用单个宏:

int fd=open("test.txt",O_RDWR);
if (fd==-1)
{
perror("open failed");
return -1;
}

例如创建文件:

int fd=open("test.txt",O_CREAT);
if (fd==-1)
{
perror("open failed");
return -1;
}

使用上面的方法在某些情况下会出问题,文件权限有问题:

这就要谈谈mode的作用了

第3个参数mode

mode_t的类型解释

mode的类型是mode_t,后者是被重定义的,真正的类型见下方在glibc-2.42中的查找过程:

在posix/bits/types.h中:

#ifndef __mode_t_defined
typedef __mode_t mode_t;
# define __mode_t_defined
#endif

在posix/bits/types.h中:

__STD_TYPE __MODE_T_TYPE __mode_t;    /* Type of file attribute bitmasks.  */

在bits/types.h中:

#define __MODE_T_TYPE        __U32_TYPE

在posix/bits/types.h中:

#define __U32_TYPE        unsigned int

结论:mode_t是无符号整型

使用

新建文件必须告知权限,要写open系统调用的第3个参数mode,如果不临时设置umask,第3个参数mode会和mask进行位运算得到文件真正的权限(位运算具体方法参见OS9.【Linux】基本权限(下)^[10]文章)

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
int fd=open("test.txt",O_CREAT,0666);
if (fd==-1)
    {
perror("open failed");
return -1;
    }
return 0;
}

运行结果:新建的文本文件的权限仍然不正确,不是-rw-rw-rw-

两种解决方法:

方法1:使用系统调用临时设置umask+0666

umask系统调用返回曾经的umask值

让实际的文件权限变成666:

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
int main()
{
umask(0);
int fd=open("test.txt",O_CREAT,0666);//必须是八进制,有前导0!
if (fd==-1)
    {
perror("open failed");
return -1;
    }
return 0;
}

注:根据就近原则,代码中设置了umask(0),那么不考虑系统的umask值,而且umask(0)不影响系统的umask值,可以看看手册中的具体描述:

umask()  sets  the calling process's file mode creation mask (umask) to mask & 0777 (i.e., only the file permission bits of mask are used), and returns the previous value of the mask.

运行结果:

方法2:使用系统调用临时设置umask+S开头的宏

当然也可以用其他方法,参见https://linuxvox.com/blog/linux-open-system-call/^[11]网站的摘抄:

mode: This parameter is only used when the O_CREAT  flag is specified. It specifies the permissions to be set for the newly  created file. The permissions are specified using a combination of the  following constants: S_IRUSR (read permission for the owner), S_IWUSR (write permission for the owner), S_IXUSR (execute permission for the owner), S_IRGRP (read permission for the group), S_IWGRP (write permission for the group), S_IXGRP (execute permission for the group), S_IROTH (read permission for others), S_IWOTH (write permission for others), and S_IXOTH (execute permission for others).

解释:mode模式仅当指定O_CREAT才使用,mode是设置新建文件的权限的,具体可以见S开头

POSIX标准(见https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9799919799/basedefs/sys\_stat.h.html^[12])给了一张表:

宏开头的S指Symbolic,即adj.符号的

那么要创建rw-rw-rw-的文件可以用或运算组合宏:

#define S_FILE S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
int main()
{
umask(0);
int fd=open("test.txt",O_CREAT,S_FILE);
if (fd==-1)
    {
perror("open failed");
return -1;
    }
return 0;
}

注意: S_FILE仍然要和umask做位运算得到真正的文件权限

close

close系统调用作用: 依照文件描述符关闭指定文件

注意检查返回值是否为-1

write

需要包含<unistd.h>

write系统调用作用: 向一个文件描述符写入,即写入文件时需要依靠文件描述符

ssize_t write(int fd, const void buf[.count], size_t count);

第一个参数是文件描述符,第二个参数是从buf数组,要从此处取数据,第三个参数是要写入的字节数,返回值是ssize_t

ssize_t类型的解释

glibc-2.42库中有定义:

在posix/sys/type.h中:

#ifndef __ssize_t_definedtypedef __ssize_t ssize_t;#define __ssize_t_defined#endif

在sysdeps/generic/_G_config.h中:

#define _G_ssize_t ssize_t

在bits/types.h中:

__STD_TYPE __SSIZE_T_TYPE __ssize_t;

在bits/typesizes.h中:

#define __SSIZE_T_TYPE __SWORD_TYPE

在posix/bits/type.h中:

#if __WORDSIZE == 32
# define __SQUAD_TYPE    __int64_t
# define __UQUAD_TYPE    __uint64_t
# define __SWORD_TYPE    int
# define __UWORD_TYPE    unsigned int
# define __SLONG32_TYPE    long int
# define __ULONG32_TYPE    unsigned long int
# define __S64_TYPE    __int64_t
# define __U64_TYPE    __uint64_t
/* We want __extension__ before typedef's that use nonstandard base types
   such as `long long' in C89 mode.  */
# define __STD_TYPE    __extension__ typedef
#elif __WORDSIZE == 64
# define __SQUAD_TYPE    long int
# define __UQUAD_TYPE    unsigned long int
# define __SWORD_TYPE    long int
# define __UWORD_TYPE    unsigned long int
# define __SLONG32_TYPE    int
# define __ULONG32_TYPE    unsigned int
# define __S64_TYPE    long int
# define __U64_TYPE    unsigned long int
/* No need to mark the typedef with __extension__.   */
# define __STD_TYPE    typedef
#else
# error
#endif

看到__SWORD_TYPE有两种定义方式: