基础IO详解

目录

C语言文件操作

文件的系统调用接口

文件管理

Linux下，一切皆文件

重定向

缓冲区

理解文件系统

动态库和静态库

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C语言文件操作

C程序默认会打开三个输入输出流，stdin，stdtou，stderr，也被称为标准输入输出流

stdin：键盘；stdout：显示器；stderr：显示器

fputs向一般文件(磁盘中的)或者硬件设备都能写入数据 

stdout和stderr的区别

stdout在输出重定向后，会将输出内容从显示器转到文件中，而stderr则没有，输出重定向后还是

将输出内容输出到显示器上

文件操作，最终都是访问硬件：显示器，键盘，文件（磁盘），而os是硬件的管理者！所以所

有的语言上的对"文件"的操作，都必须贯穿os！而os不相信任何人，要访问操作系统，是需要通

过系统调用接口的！

几乎所有的语言文件操作函数fopen，fclose，fread，fwrite，fgets，fputs，fgetc，fputc等底

层一定需要使用os提供的系统调用！

 

文件的系统调用接口

参数mode

如下图，创建并打开文件，如果没有指定权限，该文件的权限就会是乱的

指定权限后

参数flags

如下图，flags是传递标志位，表示以什么方式打开，它有32个bit位，一个bit位，代表一个标志！

O_WRONLY、O_CREAT等都是只有一个bit位是1的数据，而且不重复，下图是以8进制的形式 

返回值

如下图，连续打开多个文件，它们的返回值是连续的一串数字，但是却是从3开始的，这是因为0代

表的是标准输入：键盘，1代表的是标准输出：显示器，2代表的是标准错误：显示器，通过打印出

来的连续的数字，很容易想到数组的下标，而open的返回值又是os给的

文件管理

所有的文件操作，表现上都是进程执行对应的函数，即进程对文件的操作，而要操作文件就得先打

开文件，将文件相关的属性信息加载到内存

操作系统中存在大量的打开的文件，进程：打开的文件=1：n，既然系统中存在可能更多的打开的

文件，那os就必须对其进行管理，管理方式还是先描述，再组织

写文件

读文件

如果一个文件，没有被打开，它是被存放在磁盘里面的！ 

空文件是要占磁盘空间的，因为文件有属性，属性也是数据

磁盘文件 = 文件内容 + 文件属性

如下图，打开的文件很多，如何确定哪些是我们进程的呢？所以就有了一个struct file* fd_array[]

的数组，来保存struct file的地址

fd：本质是内核中进程和文件关联的数组的下标！！！

Linux下，一切皆文件

在struct file的上层看来，所有的文件，读写操作都是调用读->read，写->write，根本就不关心你

到底是什么文件！ 

注意：上图中的每个硬件对应的read、write一定是不一样的！！！

默认的0、1、2也是可以直接读写的！

如下图，文件描述符的分配原则，给新文件分配的fd，是从fd_array中找一个最小的，没有被使用

的，作为新的fd！

如下图，如果关掉了1，把本来输出到显示器的内容，输出到了文件中

原因：

如下图，FILE是C语言层面上的结构体！而这个结构体里面一定包含了一个整数，是对应在系统层

面的，这个文件的打开的对应的fd！

printf、fprintf、cin——语言层

系统调用：open，write--fd —— 系统层

重定向

追加重定向：O_APPEND

 输入重定向  

 上图的关系一定存在，证明如下图

dup2：重定向的系统调用接口

 输出重定向

输入重定向

执行exec*程序替换的时候，不会影响我们曾经打开的所有的文件

创建子进程，files_struct会被拷贝一份，但是打开的文件不会

父进程如果曾经打开了标准输入，标准输出，标准错误，子进程也会继承下去！！！所以我们所有

的进程，都会默认打开标准输入，标准输出，标准错误

1与2的区别

如下图，在重定向后，只有标准输出会写入到文件中，而标准错误还是会打印到显示器上

如下图，是将标准输出和标准错误都写入文件中的方法

缓冲区

如下图，在close(fd)后，将本来打印在显示器中的内容变成写入文件的内容，文件中却也没有！

原因：

进程退出的时候，会刷新FILE内部的数据到os缓冲区

用户->os的刷新策略

立即刷新(不缓冲)

行刷新(行缓冲\n)，比如，显示器打印

缓冲区满了，才刷新(全缓冲)，比如，往磁盘中写入

注意：上述的刷新策略，对于os->磁盘，同样适用！！！

如下图，可知，因为printf、fprintf都是C语言的接口，所以它们的内容会被写入C缓冲区中，而这

里又发生了重定向，显示器->log.txt，即由行缓冲变成了全缓冲，此时内容还在C缓冲区，又因为

close(fd)，所以C缓冲区也就无法将内容刷新到文件的内核缓冲区

如下图，如果在close(fd)前，加一个fflush，就会立即刷新

如下图，在结尾加上一个fork后，输出到显示器中的内容都只有一份，而重定向后，输出到文件的

用C语言的接口输出的内容，则有两份。这是因为发生重定向后，由行缓冲变为了全缓冲，C缓冲

区的内容没有被刷新到os缓冲区，子进程发生写时拷贝，就有了两份！

 如下图，在加了fflush后，变为立即刷新后，就变为了一份！

理解文件系统

磁盘(机械硬盘)

如下图，磁盘中有一个光盘，用来存储数据的，我们可以把它想象成磁带，卷起来的时候是一个

圆，其实是一个线性结构！

磁盘写入的基本单位是：扇区，512字节，但是在与os交互的时候是4KB

Linux中，文件名在系统层面没有意义！是给用户用的！

Linux中，真正标识一个文件，是通过文件的inode编号！！！一个文件一个inode编号

  

如下图，因为磁盘太大，管理成本太高，所以需要将磁盘分区，划分为几块，便于管理，同时给每

一个区都写入文件系统，即格式化。比如中国这么大，为了便于管理，就划分为了多个省，而每个

省都有领导班子。同时每个区的空间也太大，就分为了多个组，每个组都有文件属性表和文件内容

表，其中都有很多数据块，存放着文件的内容和属性，有了inode编号，就能在inode Table中找

到对应的属性块，又通过blocks[]在Data blocks中找到对应的数据块。因为文件太多，在需要创

建一个文件时，不可能把所有的文件都去遍历一遍，所以就有了inode Bitmap，用位图来判断

某个文件"是否"被占用!

目录是文件，有inode，而且有数据，存放的是文件名：inode编号！

查看文件内容

cat test.c -> 先查看文件所在的目录lesson -> data block -> 12345：test.c -> 12345 -> inode

table -> inode->block[] -> 打印文件内容！

删除文件

只需要将inode Bitmap中，将inode编号所对应bit位的大小由1变为0即可！

你所创建的所有文件，全部一定在一个特定的目录下！！！

软链接

创建软链接

删除软链接

应用场景

如下图，当我们要执行某个目录下的某个文件，且它的路径很长时，我们就可以给它创建一个软链

接，这样就不用输入一长串路径来执行，只需要执行创建的软链接即可！这就类似于在

Windows中创建快捷方式

软链接是有自己独立的inode的！软链接是一个独立文件！有自己的inode属性，也有自己的数据

块（保存的是指向文件的所在路径+文件名）

 

硬链接 

硬链接本质上根本就不是一个独立的文件，而是一个文件名和inode编号的映射关系，因此自己没

有独立的inode！

创建硬链接，本质是在特定的目录下，填写一对文件名和inode的映射关系！

如下图，3是test.c所创建的硬链接数 

如下图，创建一个目录时，默认的硬链接数是2，是因为该目录下有一个.的文件，是它的其中一个

硬链接

 

如果在此目录下再创建一个目录，那就会变为3，因为新创建的目录中的..文件也是它上级目录的一

个硬链接

文件时间

如下图，一个文件对应有三个时间，分别是Access、Modify、Change

 Access：文件最近被访问的时间，实际操作后，可能文件实际没有变化

原因：在较新Linux内核中，Access时间不会被立即更新，而是有一定的时间间隔，os才会自动

进行更新时间！

Modify：最近一次修改文件内容的时间

Change：最近一次修改文件属性的时间

如下图，在test.c中写了一句printf语句之后，它的三个时间都发生了变化，而Change时间会变，

是因为修改了文件的大小属性，所以当我们修改文件内容的时候，是有可能会修改文件的属性的！

如下图，在一次make之后，如果继续make，也无法再编译

原因：

Makefile与gcc会根据时间问题，来判定源文件和可执行程序谁的时间更新，从而指导系统哪些源

文件需要被重新编译

如下图，当文件test的时间比文件test.c的时间早一些的时候，就可以make，重新编译

动态库和静态库

一套完整的库：库文件本身；头文件(文本的，会说明库中暴露出来的方法的基本使用)；说明文档

库文件命名

如下图，ldd是显示可执行程序依赖的库，在Linux中，如果是动态库，库文件是以.so作为后缀

的！如果是静态库，库文件是以.a作为后缀的！动态库和静态库就是文件，和我们所创建的一样！

库文件的命名：libXXXX.so  or  libYYY.a-..

库的真实名字：去掉lib前缀，去掉.a-或.so-后缀，剩下的就是库名称！

在Linux中，C++的源文件有三种格式，.cc、.cpp、.cxx！

gcc默认动态链接编译

gcc静态链接编译

在C/C++中，为什么有时候编写代码时，我们会在.h文件放声明，在.c/.cpp文件放入实现方法？

因为我们要制作库！方便使用，以及保证源码的私密性

如下图，多文件的程序编译方法

另一种方法，则是采用Makefile，将test_lib中的.c文件全部生成.o文件放在当前目录，然后链

接。<是将.c文件全部展开，一个一个地生成.o文件

制作静态库 

将所有的.o文件打包就是静态库文件

如下图，用ar -rc将.o文件全部打包放入静态库文件libmymath.a中，而如果想要给别人使用，则

创建一个目录，里面放有静态库文件，以及.h文件，然后将这个目录给他，用ar -tv则能查看静态

库文件

使用静态库

我们给别人交付的其实就是一个库文件+一套头文件

如下图，将静态库给我的朋友之后，里面包含了库文件和.h文件，他想使用时，只需调用即可！

-I(i)：指明头文件搜索路径

-L:指明库文件搜索路径

-l(L):指明要链接哪一个库，后面的库是它的真实名字

如果不想每次都gcc ...，也可以写一个Makefile文件！！！

注意：我们之前写的代码，也使用了库，没有指明这些选项，是因为是在系统的默认路径下：比

如/lib64，/usr/lib，/usr/include等，编译器是能识别这些路径的。也就是说，如果我不想带这些

选项，也是可以把对应的库和头文件拷贝到默认路径下，但是不推荐这样做！

制作动态库

如下图，制作了一个 动态库文件，同时制作了一个目录，将全部.h文件和动态库文件放入其中

shared：形成一个动态链接的共享库

fPIC：产生.o目标文件，程序内部的地址方案是：与位置无关，库文件可以在内部的任何位置加

载，而且不影响和其他程序的关联性

使用动态库

如下图，在编译时没有问题，但是在运行时却找不到库文件，这是因为下图中Makefile的那些选项

只是告知编译器头文件库路径在哪里，当程序编译好的时候，此时已经和编译器无关了！所以需要

在运行的时候，进一步告知系统，我们的库在哪里

解决方法一：

配置环境变量LD_LIBRARY_PATH，将lib目录的路径拷贝给它

解决方法二：

如下图，用root身份，进入/etc/ld.so.conf.d/创建一个.conf文件，将路径拷贝到这个文件

 

总结

我们其实一直都在直接或间接使用库（C/C++）

如何使用

拿到别人的库文件和头文件，加入到自己的项目中！

如何制作

注意：所有的源代码都需要先被编译成为.o(可重定向目标文件)

可以先把自己的所有的源文件编译成为.o

制作动静态库的本质：就是将所有的.o打包，使用ar或者gcc来进行打包

交付：头文件+.a or .so文件

注意

如果你只提供静态库，我们只能将我们的库，静态链接到我们的程序中

如果你只提供动态库，我们只能将我们的库，采用动态链接，是无法-static静态链接的

如果既想动态链接，又想静态链接，一般需要提供两种版本的库文件！！！

gcc、g++优先动态链接！

我们之前写的所有的代码都没有报错，因为默认是动态链接的，因为我们一定有动态库(因为系

统中有很多的命令是用C语言写的，而且是动态链接的!)