Linux下的文件操作

Linux下，一切皆文件！

文件描述符 fd

什么是文件描述符？

在Linux系统中，一切皆文件，不仅我们平时认为的文件是文件，而且显示器，键盘，磁盘…都是文件。当进程需要对某些文件进行操作时，就必须在进程中打开所要操作的对应文件。而一个进程的所有状态信息都会被保存在进程的task_struct（Linux下的进程PCB）中，在task_struct中，存在一个指针，它指向一个结构体file_struct，而在这个结构体中存在一个数组fd_array[]，这个数组保存的都是当前进程打开的文件的文件指针。这个数组的下标，就是我们所述的文件描述符。

图示：

所以在进程中，只需要知道相应的文件所对应的下标，就可以找到对应的文件。

文件描述符分配规则

• Linux进程默认情况下会有三个默认打开的文件操作符，分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2。
• 0，1，2对应的硬件设备分别是：键盘，显示器，显示器。
• 当进程打开一个文件时，操作系统会给该文件分配文件操作符，分配的方式很简单，即就是在file_struct中的文件描述符数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个数组下标，作为新文件的文件描述符。

代码测试：

#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
    int fd;
    umask(0);//设置文件默认访问权限
    fd = open("file", O_CWRONLY|O_CREAT,0644);
    if(fd < 0)//打开文件失败
    {
        printf("打开文件失败！\n");
        exit(-1);
    }
    printf("新文件的文件描述符 fd = %d\n", fd);
    close(fd);//关闭文件
    return 0;
}

程序结果：1

open接口介绍

#include
#inclUde
#include

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

pathname：要打开或创建的文件

flags：打开文件时，可以传入多个参数选项，之间可以用“或”隔开，构成flags
	 O_RDONLY：只读打开
	 O_WRONLY：只写打开
	 O_RDWR：读，写打开
	 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
	 
返回值：
	成功打开文件，返回新文件的文件描述符
	失败返回-1

输出/输入重定向

操作系统的标准输出是显示器，标准输入为键盘，输出/输入重定向的意思即就是将进程的标准输出/输入更改为用户自定义的文件。

常见的重定向有：>，<，这是操作系统提供给我们的重定向接口，当在shell命令行执行echo “hello world!” > file时，他会给当前路径下的file文件内写入"hello world!"，不会在显示器上打印"hello world!"。

重定向的本质

Linux操作系统下，一切皆文件，当我们想给显示器上打印"hello world!“时，操作系统会执行的操作就是给显示器这个文件中，写入"hello world!”，当发生输出重定向时，操作系统会首先关闭标准输出，这时，file_struct结构体中的文件描述符数组中下标为1的位置就会闲置，当下标为1的位置闲置时，打开另外一个文件，那么这个新文件所分配到的文件标识符就会是1，当其他进程要向标准输出打印数据时，就会将此时的新文件默认为标准输出，这样就实现了输入重定向。

代码实现

• 在Linux下，可以通过系统调用接口实现重定向。

close接口介绍

#include

int close(int fd);
fd：文件描述符
返回值：
	成功返回0
	失败返回-1

代码实现

#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
    int fd;
    int close_right = -1;//默认关闭失败
	close_right = close(1);//关闭标准输出stdout
    if(close_right == -1)//关闭失败
    {
        exit(-1);
    }
    umask(0);
    fd = open("file", O_WRONLY|O_CREAT,0644);
    if(fd == -1)
    {
        exit(-1);
    }
    printf("hello world!\n");//向标准输入写入hello world!
    close(fd);
    return 0;
}

程序结果：向file文件中写入"hello world!"

FILE

FILE是C库提供的一个结构体，用来操作文件，因为IO相关函数与系统调用接口对应，而且库函数封装了系统调用，所以本质上，访问文件都是通过文件的文件描述符fd访问的，所以在C库提供的结构体FILE中，一定封装了文件描述符fd。

Linux文件系统

存储一个文件，既要存储文件的数据信息，也要存储文件的属性信息。

磁盘

电脑的磁盘是由盘片组成的，一个盘片有两个柱面，两个柱面都可以存储信息，每个柱面由很多同心圆组成，在每一个同心圆上有很多扇区（使用缺口分割），数据即存储在这些同心圆上，这样的一个圆叫做磁道，我们可以将它理解为线性结构，将整个磁盘分成很多个小块来管理，这样的操作叫做磁盘分区。

• 超级块：存放文件系统本身的结构信息。
• i节点表：存放文件属性 如：文件大小，所有者，最近修改时间等
• 数据区：存放文件内容

创建一个文件的过程

1. 存储属性：操作系统先找到一个空闲的i节点（用数字标识123456），操作系统将文件信息记录到其中。
2. 存储数据：操作系统在数据区寻找空闲的数据块（多选），用来存放文件内容。
3. 记录分配情况：假如一个文件的数据文件按顺序使用了数据块的300，600，900，那么操作系统就会在inode上的磁盘分布区记录上述块列表。
4. 添加文件名到目录：假如新文件的文件名为file，操作系统就会将入口（123456，file）添加到目录文件。

软链接

• 创建软连接：ln -s [要链接的文件名] [软链接名]
• 软连接创建的链接文件是一个独立的文件，可以指向被链接的文件，具有自己的inode。

硬链接

• 创建硬链接：ln [要链接的文件名] [硬链接名]
• 硬链接所创建的链接文件与被链接的文件具有同一个inode，可以理解为增加了一个inode与目标文件的映射关系。

为我们实现的shell添加重定向功能

代码如下：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAX_ARGV 20
#define MAX_CMD 1024

int cmd_cut(char cmd[], char* argv[])//发生重定向则返回重定向符号所在位置
{
  char* buf = " ";
  int i = 0;
  int stdout_off = 0;
  char stdout_file_name[50];
  argv[i++] = strtok(cmd, buf);
  while(argv[i++]=strtok(NULL, buf))
  {
    if(*argv[i-1]=='>'||
       *argv[i-1]=='<'||
       *argv[i-1]=='&')
    {
      //记录重定向符号位置
      stdout_off = i - 1;
    }
  }

  //处理末尾输入的'\n'
  argv[i - 1] = NULL;
  if(*argv[i - 2] == '\n')
  {
    argv[i - 2] = NULL;
  }
  else
  {
    char* p = (argv[i-2] + strlen(argv[i-2]) - 1);
    *p = '\0';
  }

  //判断是否发生重定向
  if(stdout_off != 0)
  {
    return stdout_off;
  }
  return 0;
}

int which_redirect(char* argv[], const int redirect)
{
  char stdout_file_name[50];
  if(redirect != 0)
  {
    strcpy(stdout_file_name, argv[redirect+1]);//保存输出/输入文件名
    if(*argv[redirect] == '>')//输出重定向
    {
      argv[redirect] = NULL;
      close(1);
      return open(stdout_file_name, O_WRONLY|O_CREAT);
    }
    else if(*argv[redirect] == '<')//输入重定向
    {
      argv[redirect] = NULL;
      close(0);
      return open(stdout_file_name, O_WRONLY|O_CREAT);
    }
    else if(*argv[redirect] == '&')
    {
      argv[redirect] = NULL;
      close(1);
    }
    else
    {
      printf("重定向标识符错误!\n");
      exit(0);
    }
  }

  return -1;
}

//新进程
void new_pro(char* argv[], const int redirect)
{
  pid_t id=fork();
  char stdout_file_name[20];
  int fd = -1;
  if(-1==id)
  {
    perror("fork");
    exit(-1);
  }
  else if(0==id)//子进程
  {
    fd = which_redirect(argv,redirect);//判断输出/输入/不发生重定向 并处理 
    execvp(argv[0],argv);
  }
  else//父进程
  {
    int st;
    while(wait(&st)!=id);
  }
}


int main()
{
  char cmd[MAX_CMD]={'\0'};
  char* argv[MAX_ARGV];
  int redirect = 0;//重定向标识符 默认不发生重定向
  while(1)
  {
    printf("[ahao@AHAOAHA ~ ]& ");
    fgets(cmd,sizeof(cmd),stdin);
    redirect = cmd_cut(cmd,argv);
    new_pro(argv, redirect);
  }
  close(1);
  return 0;
}

动态库&静态库

• 静态库（.a）：程序在编译的过程中直接将库函数的代码复制到可执行文件中，程序在运行时不再需要静态库。
• 动态库（.so）：程序在运行时才会去链接动态库的代码，多个程序共享使用库的代码。
• 静态库特点：可执行程序可移植性较强，但可执行程序体积较大。
• 动态库特点：可执行程序效率降低，可移植性差，但程序体积较小。

打包生成动态库

• gcc -c [要生成静态库的代码文件名] -o [指定生成文件名.o]

• ar -rc [lib静态库名称.a] [*.o]

  ar是gnu归档工具

  rc表示(replace and create)

• ar -tv [静态库文件名] ：查看静态库中的目录列表

  t(列出静态库中的文件)

  v(详细信息)

使用静态库

• gcc [代码文件名] -L[静态库路径] -I[静态库名称]

打包生成动态库

• gcc -fPIC -c [要生成静态库的代码文件名]

  fPIC：产生位置无关码（position independent code）

• gcc -shared -o [lib动态库名称.so] [*.o]

  shared：表示生成共享库格式

使用动态库

• gcc [要编译的文件名] -o [指定可执行文件名] -L[动态库所在路径] -l[动态库名]

  l ：链接动态库，只要库名即可

  L ：动态库所在路径