Linux的系统调用open，write，read，close，及相关总结

在进行C语言学习的时候我们了解到了C语言相关的一些IO操作，如fopen，fwrite，fread，fprintf，fclose等相关函数，他们都是由C库函数提供的一些函数，是将操作系统的系统调用加以封装，虽说Linux是由C语言实现的，但为了使我们更加的了解Linux，就需要了解更接近与底层的一些IO操作，因此就需要来了解下基本的系统调用—open，write，read，close

首先我们来了解下open，write，read，close的系统调用

open

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

open有三个参数
pathname：要打开或创建的目标文件名
flags：对文件进行多种操作也就有有多个参数，这多个参数可以进行或运算，即就是flags
参数：

1. O_RDONLY:只读打开
2. O_WRONLY:只写打开
3. O_RDWR:读，写打开
4. O_CREAT:若文件不存在，创建文件
5. O_APPEND:追加写

参数1，2，3，必须制定一个且只能制定一个，使用参数4，必须使用open的第三个参数mode：新文件的访问权限

返回值：成功：新打开文件的文件描述符（fd）
失败：-1

write

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

fd：文件描述符
buf：写入的缓冲区
count：写的字符长度，也就是看你需要写多少

read

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

read的参数和write的参数很相像，只有第二个参数的含义有些不一样，它的buf是需要读的缓冲区

close

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close的参数就相对简单了，这一个操作是不能遗漏的，只要了使用fd就必须close它

在这几个函数中都涉及到了关键的参数fd，因此要了解这几个函数，就必须先了解下文件描述符（fd）。

什么是文件描述符，这是一个相对抽象的概念，我们先来看看下面这张图

在PCB结构体中存在一个files指针，它指向一个file_struct结构体，而在file_struct结构体中存在一个file* fd数组，这个数组里面存放的是file指针，用来指向不同的file文件，而fd就可以理解为这个指针数组的下标，因此要打开一个文件，我们就可以拿到该文件的fd就可以了。

fd的分配原则：
在files_struct数组当中，使用没有被使用的最小下标，作为新的文件描述符。
操作系统默认使用了该数组的前三个元素，0号下标指向标准输入（stdin），1号下标指向标准输出（stdout），2号下标指向标准错误（stderr）。
因此正常情况下，新的fd都是从3开始的，但如果我们关闭了默认的fd，新的文件的fd就从关闭的fd处开始。

说到了fd，我们就不得不来区分下FILE和fd

FILE是C库当中提供的一个结构体，而fd是系统调用，更加接近于底层，因此FILE中必定封装了fd。

我们可以来看看FILE的结构体：
typedef struct _IO_FILE FILE;在/usr/include/stdio.h

它的结构体中有这么一段：

struct _IO_FILE {
  int _flags;       /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags

//缓冲区相关
  /* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
  /* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
  char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */
  char* _IO_read_end;   /* End of get area. */
  char* _IO_read_base;  /* Start of putback+get area. */
  char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
  char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */
  char* _IO_write_end;  /* End of put area. */
  char* _IO_buf_base;   /* Start of reserve area. */
  char* _IO_buf_end;    /* End of reserve area. */
  /* The following fields are used to support backing up and undo. */
  char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
  char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */ 
  char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */

  struct _IO_marker *_markers;

  struct _IO_FILE *_chain;

  int _fileno;//fd的封装

可以看到int_fileno就是对fd的封装，在这一部分的开头有一大段跟缓冲区相关的内容，为什么要诺列出它呢，首先可以来看一个很诡异的例子：

  #include <stdio.h>                                                            
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>
  #include <sys/stat.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <fcntl.h>

  int main(){
      const char *msg1 = "hello printf\n";
      const char *msg2 = "hello fwrite\n";
      const char *msg3 = "hello write\n";

      printf(msg1);
      fwrite(msg2, 1, strlen(msg2), stdout);
      write(1, msg3, strlen(msg3));
      fork();
      return 0;
  }

运行结果：
[[e-mail] test]$ ./hello
hello printf
hello fwrite
hello write

但当我们对进程实现输出重定向，你就会发现诡异的事情：
[[e-mail] test]$ ./hello > file

[[e-mail] test]$ cat file
hello write
hello printf
hello fwrite
hello printf
hello fwrite

这是为什么呢，这是跟C库的缓冲数据有关，C库缓冲数据分为三种（1）、无缓冲（2）、行缓冲（3）、全缓冲。
行缓冲就是往显示器上写，全缓冲就是往文件里写。
在上面的现象中，write不受影响是因为它属于系统调用，没有缓冲区，而printf和fwrite会自带缓冲区，当发生重定向到普通文件的时候，它就会从行缓冲转变为全缓冲，也就是会往文件里面写写，但是我们缓冲区里的数据，即使fork也不会立即被刷新，当进程退出后会统一刷新，写入文件，但是fork的时候会发生写时拷贝，也就是当父进程准备刷新的时候，子进程就已经有了一份相同的数据，所以就会产生上面的现象。

了解下重定向。
重定向分为三种：

1. 输出重定向（>） 也就是关闭fd为1下标所指向的内容
2. 输入重定向（<） 同理就是关闭fd为0下标所指向的内容
3. 追加重定向（>>） 后面多一个追加选项

本文纯属作者总结，若有什么错误，请留言