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# 目录
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- [目录](#目录)
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- [I/O操作](#io操作)
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- [标准IO](#标准io)
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- [文件IO/系统调用IO](#文件io系统调用io)
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- [文件描述符的概念](#文件描述符的概念)
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||
- [文件IO操作相关函数：](#文件io操作相关函数)
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||
- [例题：通过文件IO处理csv表格](#例题通过文件io处理csv表格)
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||
- [文件IO与标准IO的区别](#文件io与标准io的区别)
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||
- [IO的效率问题](#io的效率问题)
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||
- [习题](#习题)
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||
- [解答](#解答)
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||
- [结果](#结果)
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||
- [文件共享](#文件共享)
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||
- [原子操作](#原子操作)
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||
- [程序中的重定向：`dup`, `dup2`](#程序中的重定向dup-dup2)
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||
- [同步](#同步)
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- [/dev/fd/目录](#devfd目录)
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# I/O操作
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输入输出是一切实现的基础。
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- 标准IO：`stdio`
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- 系统调用IO（文件IO）：`sysio`
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优先使用**标准IO**，兼容性更好，还有合并系统调用的优势。
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## 标准IO
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```c
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/* stdio */
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/* FILE类型贯穿始终 */
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FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
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/**
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* fopen 返回指针的储存位置？ 1.栈 2.静态区 3.堆
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* 正确答案：3.堆。
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* 因为如果是栈，就是函数内部局部变量，无法返回地址。
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* 如果是静态区，无法确定需要多少个这个变量。
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*
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* 只有 r 和 r+ 一定要求文件存在
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* 另外几种不存在会创建
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*
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* 创建文件的权限
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* 0666 & ~umask
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*
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* 对于普通用户
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* umask 得到 022
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*
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*/
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int fclose(FILE *fp);
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int fputc(int c, FILE *stream);
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int fgetc(FILE *stream);
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char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
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/**
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* 两种正常返回的情况：
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* 1. 读了 size-1 个字节，最后一个字节留给 '\0'
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* 2. 读到了 '\n'
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*
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* eg. 加入用fgets(buf, 5, stream) 来读 abcd
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* 是会读两次的
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* 第一次：abcd'\0'
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* 第二次：'\n''\0'
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*/
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int fputs(const char *restrict s, FILE *restrict stream);
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/**
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* 这一对函数常用但是无法验证边界
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* 尽量一次只读单字节，更安全
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*
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* 返回值：成功读/写的对象的数量
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*/
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size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nemmb, FILE *stream);
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size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
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int printf(const char *restrict format, ...);
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/**
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||
* 常用于 fprintf(stderr,...)
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*/
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int fprintf(FILE *restrict stream, const char *restrict format, ...);
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int dprintf(int fd, const char *restrict format, ...);
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/**
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* 将格式化内容输出到一个字符串
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*
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* 和 atoi() 正好相反
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*
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||
*/
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int sprintf(char *restrict str, const char *restrict format, ...);
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||
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||
/**
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||
* 比sprintf多了size参数，更安全
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||
*/
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int snprintf(char str[restrict.size],
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size_t size,
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const char *restrict format,
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...)
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// !!! 慎用%s
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int scanf(const char *restrict format, ...);
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int fscanf(FILE *restrict stream,
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const char *restrict format, ...);
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/**
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* 移动文件当前位置指针
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*
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* 可用于生成空洞文件，下载器原理
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*
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* @prarm: offset 移动多远
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* @prarm: whence 移动方向
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* SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END
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||
*
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* @return 成功0，失败-1
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*/
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int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
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||
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/**
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* 反映当前文件指针所在位置
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*
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* 这个long的负值部分无法使用。
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* 所以文件无法超过2G。
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*
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*/
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long ftell(FILE *stream);
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/**
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* 解决上面long的问题。
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*
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* 最好编译时加上
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* #define _FILE_OFFSET_BITS 64
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* 可以写入makefile
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*
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* 但是这俩函数是方言，前面那个long的一对支持C89，C99
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*
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*/
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int fseeko(FILE *stream, off_t offset, int whence);
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off_t ftello(FILE *stream);
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/**
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* 将文件指针置于文件首
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* equivalent to:
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* fseek(stream, 0L, SEEK_SET);
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*/
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void rewind(FILE *stream);
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/**
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* 缓冲区的作用：
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* 大多数情况下是好事，合并系统调用
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*
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* 行缓冲： 换行时候刷新，满了的时候刷新，强制刷新（标准输出是这样的，因为是终端设备）
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*
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||
* 全缓冲： 满了的时候刷新，强制刷新（默认，只要不是终端设备）
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*
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||
* 无缓冲： 如stderr，需要立即输出的内容
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*/
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fflush();
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/**
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* @prarm: mode
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* 三种缓冲模式:
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* _IONBF
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* _IOLBF
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* _IOFBF
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*/
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int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);
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/**
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* 为了读取一行
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*
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* 使用办法：
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* #define _GNU_SOURCE 这个不想写到代码里面的话可以写到makefile
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* eg. CFLAGS+=-D_FILE_OFFSET_BITS=64 -D_GNU_SOURCE
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* #include <stdio.h>
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*
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* !!! 里面有 malloc 动作，未释放
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* !!! 是方言，可以自己封装一个mygetline和mygetline_free
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* !!! 但是根据chatgpt，好像直接 free(*lineptr) 就行了
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*
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*/
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ssize_t getline(char **lineptr, size_t *n, FILE *stream);
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/**
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* 临时文件
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* 1. 如何不冲突的创建
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* 2. 及时销毁
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*
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* tmpnam: 创建临时文件名字
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* 有并发危险，因为产生名字和创建文件是两步
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*
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* tmpfile: 创建临时文件
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||
* 是匿名文件，ls -a 都看不到
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||
* 避免冲突
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*/
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char *tmpnam(char *s);
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FILE *tmpfile(void);
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```
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## 文件IO/系统调用IO
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文件描述符（`fd`）是在文件IO中贯穿始终的类型。
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### 文件描述符的概念
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是一个整型数，是一个指针数组的下标。
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优先使用当前可用范围内最小的。
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### 文件IO操作相关函数：
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- `open`
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- `close`
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- `read`
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- `write`
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- `lsee`
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可以使用`./open file &`来后台运行一个程序。
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然后通过`ps`查看进程号
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然后进入`/proc/进程号/fd`查看文件描述符
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前三个是标准输入、输出、错误，后面的是打开的文件描述符
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```c
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/**
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* flag:
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*
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* r -> O_RDONLY
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* r+ -> O_RDWR
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* w -> O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC
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* w+ -> O_RDWR | O_TRUNC | O_CREAT
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||
*
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* O_RDONLY 只读
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* O_WRONLY 只写
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* O_RDWR 读写
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||
* O_CREAT 创建
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* O_TRUNC 截断
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* O_APPEND 追加
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* O_EXCL 排他(若要创建的文件已存在则报错)
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||
* O_NONBLOCK 非阻塞
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* O_SYNC 同步
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* O_DSYNC 数据同步
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* O_RSYNC 读同步
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||
* O_DIRECT 直接IO
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* O_LARGEFILE 大文件
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* O_DIRECTORY 目录
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* O_NOFOLLOW 不跟踪符号链接
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* O_CLOEXEC close-on-exec
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* O_PATH 仅打开目录
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* O_TMPFILE 临时文件
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||
* O_NOCTTY 不分配控制终端
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*
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* 如果有creat就必须用三参数的形式
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* C语言没有重载，这是变参函数
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*
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* @prarm: pathname 文件路径
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* @prarm: flags 文件打开方式
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* @prarm: mode 文件权限
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* 假如0666，就是rw-rw-rw-，110110110
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*
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||
*/
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int open(const char *pathname, int flags);
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||
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
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||
|
||
int close(int fd);
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||
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||
/**
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* @return 读取的字节数，失败返回-1
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*/
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ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
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||
|
||
/**
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||
* 想要控制写入的位置，需要使用lseek
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||
*
|
||
* @return 写入的字节数，失败返回-1
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||
*/
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||
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
|
||
|
||
/**
|
||
* 移动文件指针
|
||
*
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||
* @prarm: offset 移动多远
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||
* @prarm: whence 移动方向
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||
* SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END
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||
*
|
||
* @return 成功0，失败-1
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||
*/
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off_t lseek(int fd, offt offset, int whence);
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||
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||
```
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### 例题：通过文件IO处理csv表格
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```csv
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,语文,数学,英语,总分,评价
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张三,90,91,92,,
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||
李四,80,81,82,,
|
||
王五,70,71,72,,
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```
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思路：逐行处理
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可以使用16进制查看工具
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### 文件IO与标准IO的区别
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区别：响应速度&吞吐量
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文件IO需要频繁进入内核，标准IO通过缓冲区合并系统调用。
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响应速度快就文件IO，吞吐量大就标准IO。
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> [!warning]
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> 二者不可混用
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转换方法：`fileno`, `fdopen`
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### IO的效率问题
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#### 习题
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将`mycpy.c`程序进行更改，将`BUFSIZE`的值放大，观察进程消耗的时间，注意性能出现拐点的值以及程序何时段错误。
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#### 解答
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将`BUFSIZE`作为命令行参数传入，`int bufsize = atoi(argv[3]);`
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通过脚本进行试验：
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```bash
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#!/bin/bash
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# 生成一个 5GB 的文件
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dd if=/dev/urandom of=/tmp/bigfile bs=1G count=5
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# 输入和输出文件的路径
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src="/tmp/bigfile"
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dst="/tmp/outfile"
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# 编译你的程序
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gcc -o mycpy_bufsize mycpy_bufsize.c
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# 初始化 BUFSIZE
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bufsize=512
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# 循环，每次 BUFSIZE * 2
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while true; do
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# 用 time 命令运行你的程序，并将结果重定向到一个临时文件
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{ time ./mycpy_bufsize $src $dst $bufsize; } 2> time.txt
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# 检查程序的退出状态
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if [ $? -ne 0 ]; then
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||
echo "Max BUFSIZE before segfault: $bufsize"
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break
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||
fi
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||
# 提取 time 的结果
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real_time=$(grep real time.txt | awk -F' ' '{print $2}')
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user_time=$(grep user time.txt | awk -F' ' '{print $2}')
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sys_time=$(grep sys time.txt | awk -F' ' '{print $2}')
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# 输出 BUFSIZE 和 time 的结果
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echo "BUFSIZE: $bufsize, Real Time: $real_time, User Time: $user_time, Sys Time: $sys_time"
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# BUFSIZE * 2
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bufsize=$((bufsize * 2))
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done
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# 删除临时文件
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rm time.txt
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rm $src
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rm $dst
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```
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#### 结果
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```bash
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wan@SK-20240106UQUX:~/Linux-C-Notes/C13-Linux系统编程/io/sys$ ./time.sh
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||
BUFSIZE: 512, Real Time: 0m7.672s, User Time: 0m0.650s, Sys Time: 0m7.007s
|
||
BUFSIZE: 1024, Real Time: 0m5.026s, User Time: 0m0.201s, Sys Time: 0m4.651s
|
||
BUFSIZE: 2048, Real Time: 0m3.535s, User Time: 0m0.158s, Sys Time: 0m3.183s
|
||
BUFSIZE: 4096, Real Time: 0m2.418s, User Time: 0m0.059s, Sys Time: 0m2.232s
|
||
BUFSIZE: 8192, Real Time: 0m2.363s, User Time: 0m0.040s, Sys Time: 0m2.150s
|
||
BUFSIZE: 16384, Real Time: 0m2.279s, User Time: 0m0.030s, Sys Time: 0m2.079s
|
||
BUFSIZE: 32768, Real Time: 0m2.238s, User Time: 0m0.020s, Sys Time: 0m2.026s
|
||
BUFSIZE: 65536, Real Time: 0m2.114s, User Time: 0m0.000s, Sys Time: 0m1.972s
|
||
BUFSIZE: 131072, Real Time: 0m2.302s, User Time: 0m0.019s, Sys Time: 0m1.982s
|
||
BUFSIZE: 262144, Real Time: 0m2.244s, User Time: 0m0.000s, Sys Time: 0m2.016s
|
||
BUFSIZE: 524288, Real Time: 0m2.254s, User Time: 0m0.000s, Sys Time: 0m2.039s
|
||
BUFSIZE: 1048576, Real Time: 0m2.249s, User Time: 0m0.010s, Sys Time: 0m2.037s
|
||
BUFSIZE: 2097152, Real Time: 0m2.304s, User Time: 0m0.000s, Sys Time: 0m2.108s
|
||
BUFSIZE: 4194304, Real Time: 0m2.234s, User Time: 0m0.010s, Sys Time: 0m2.082s
|
||
Max BUFSIZE before segfault: 8388608
|
||
```
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||
|
||
在`ulimit -a`中，我的系统的`stack size`是`8192`，所以`BUFSIZE`不能超过`8192`，否则会段错误。与测试结果一致。
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### 文件共享
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多个任务共同操作一个文件或者协同完成任务
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面试题：写程序删除一个文件的第10行
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补充函数：
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```c
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||
// 截断文件到某长度
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int truncate(const char *path, off_t length);
|
||
int ftruncate(int fd, off_t length);
|
||
```
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||
```c
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||
// 最简单思路，将11行开始的内容到第10行开始处覆盖写
|
||
while()
|
||
{
|
||
lseek 11 + read +lseek 10 + write
|
||
}
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||
|
||
// 优化思路，两个文件描述符，一个读一个写
|
||
1 -> open r -> fd1 -> lseek 11
|
||
2 -> open r+ -> fd2 -> lseek 10
|
||
|
||
while()
|
||
{
|
||
1->fd1-> read
|
||
2->fd2-> write
|
||
}
|
||
|
||
// 两个进程, 设计进程间通信
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||
process1 -> open -> r
|
||
process2 -> open -> r+
|
||
|
||
p1->read -> p2->write
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||
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||
```
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||
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||
### 原子操作
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||
指不可分割的操作
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||
作用：解决竞争和冲突
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||
|
||
如`tmpnam`函数，产生文件名和创建文件是两步，会有并发问题。
|
||
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||
|
||
|
||
### 程序中的重定向：`dup`, `dup2`
|
||
|
||
```c
|
||
/**
|
||
* dup 和 dup2 都是复制文件描述符
|
||
* dup2 可以指定新的文件描述符
|
||
* dup 会返回一个新的文件描述符
|
||
*/
|
||
int dup(int oldfd);
|
||
int dup2(int oldfd, int newfd);
|
||
```
|
||
|
||
|
||
|
||
### 同步
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||
|
||
同步内核层面的buffer和cache
|
||
|
||
```c
|
||
void sync(void);
|
||
int fsync(int fd);
|
||
int fdatasync(int fd); // 只刷新数据，不刷新亚数据
|
||
|
||
// 文件描述符所有的操作几乎都来源于该函数
|
||
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);
|
||
|
||
// 设备相关的内容
|
||
int ioctl(int fd, unsigned long request, ... /* arg */);
|
||
|
||
```
|
||
|
||
|
||
|
||
### /dev/fd/目录
|
||
|
||
**虚目录**：显示当前进程的文件描述符信息 |