Linux 简单模拟实现C语言文件流

🌇前言

在 C语言 的文件流中，存在一个 FILE 结构体类型，其中包含了文件的诸多读写信息以及重要的文件描述符 fd，在此类型之上，诞生了 C语言 文件相关操作，如 fopen、fclose、fwrite 等，这些函数本质上都是对系统调用的封装，因此我们可以根据系统调用和缓冲区相关知识，模拟实现出一个简单的 C语言 文件流。

注意： 本文实现的只是一个简单的 demo，重点在于理解系统调用及缓冲区

🏙️正文

1、FILE 结构设计

在设计 FILE 结构体前，首先要清楚 FILE 中有自己的缓冲区及冲刷方式

#pragma once
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
#define flush_no 1   //无缓冲
#define flush_line 2  //行缓存
#define flush_all 4  //满了在缓冲
#define SIZE 1024

typedef struct IO_FILE
{
    int fileno;
    int _flush;
     
    char inbuffer[SIZE];
    char outbuffer[SIZE];
    int out_pos;
}_FILE;

void _fseek(_FILE*stream,int num,int f);

_FILE* _fopen(const char*filename,const char*flag);

int _fwrite (_FILE*fp,const char*s ,int len);

void _fclose(_FILE* fp);

void _fflush(_FILE* fp);

size_t _fread(void*ptr,size_t size,size_t num, _FILE*stream );

2、函数使用及分析

主要实现的函数有以下几个：

fopen 打开文件
fclose 关闭文件
fflush 进行缓冲区刷新
fwrite 对文件中写入数据
fread 读取文件数据

实现的大致思路：

C语言文件流的过程。

FILE 结构体封装了用户级缓冲区（输入，输出）和文件指针，指向下一个读写的位置，还有文件标识符，等等。而fopen 是对open的封装
通过传入的读写方式打开对应的文件，在创建一个对应的结构体，初始化对应结构体的文件标识符，刷新方式。fwrite是对write的封装，它先是将要写入的数据写道FILE结构体封装的缓冲区里面，在判断是是否要刷新，如果要刷新就通过write写到对应的文件之中。fread封装的是read，它先是通过read将数据从文件中读到用户级缓冲区，然后在利用memcpy拷贝到目标数组中，这样可以减少拷贝次数。当fopen打开时采用“w+”的方式时，如果先向一个文件中写入一段数据，在调用fread读取的时候会发生问题，因为再写入时文件的指针在末尾，此时如果在去读的话，文件指针后面没有数据了，就会造成读取失败。在C语言中用户需要手动调用rewind() 或 fseek（）函数将实现指针移动。fseek()是将lseek（）函数进行封装，我们创建一个_fseek函数将系统接口 lseek（）函数封装其中，将文件指针移动到文件的开始，也可以解决这个问题了。fclose在底层调用了close。在程序结束之前要对用户及缓冲区进行检查是否为空，不为空进行刷新。然后才可以将文件关闭。fflush函数封装的是write，它将缓冲区的数据写入文件中去。就这样我们可以实现一个简单的C语言文件流。实际上write写入应该写入到内核级缓冲区，但是我们无法实现这个，而且fflush可以对内核缓冲区进行刷新。

代码：

#include"mystdio.h"

void _fseek(_FILE*stream,int num,int f)
{
   lseek(stream->fileno,num,f);
}


_FILE* _fopen(const char* filename,const char* flag)
{
   assert(filename&&flag);//不能传空串
   
   int fd=0;
   int f=0;//打开方式
   if(strcmp(flag,"r")==0)//读
   {
       f=O_RDONLY;//系统级打开的参数
       fd=open(filename,f,0666);
   }
   else if(strcmp(flag,"r+")==0)//读写
   {
       f=(O_RDONLY|O_WRONLY);
       fd=open(filename,f,0666);
   }

   else if(strcmp(flag,"w")==0)//两者相等返回0
   {
      f= (O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC);
      fd=open(filename,f,0666);
   }
   else if(strcmp(flag,"w+")==0)//读写
   {
     //printf("w+\n");
     f=(O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC);
     fd=open(filename,f,0666);
   }

   else if(strcmp(flag,"a")==0)//追加写
   {
     f=(O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND);
     fd=open(filename,f,0666);
   }
   else if(strcmp(flag,"a+")==0)//追加读写
   {
   f=(O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND|O_RDONLY);                                                                         
   fd=open(filename,f,0666);  
   }

   else if(strcmp(flag,"r")==0)//只读
   {
     f=O_RDONLY;
     fd=open(filename,f);
   }
   else return NULL;

  if(fd==-1) return NULL;

  _FILE* fdd=(_FILE*)malloc(sizeof(_FILE));
  
  if(!fdd)//创建失败
  {
    perror("eror:\n");
    exit(-1);
  }

  memset(fdd, 0, sizeof(_FILE));//初始化用户及缓冲区
  fdd->fileno=fd; 
  //printf("fdd->fileno: %d\n", fdd->fileno)
  fdd->_flush=flush_line;
  fdd->out_pos=0;
  //printf("fdd->fileno: %d\n", fdd->fileno);
  return fdd ;
}

int _fwrite(_FILE*fp,const char* s,int len)
{
    memcpy(&fp->outbuffer[fp->out_pos],s,len);//先写到用户及缓冲区，再看刷新方式

    fp->out_pos+=len;
    
    if(fp->_flush==flush_no)//不缓存
    {
      write(fp->fileno,fp->outbuffer,fp->out_pos);
      fp->out_pos=0;
    }
    else if(fp->_flush==flush_line)//行缓存 abcd\n  5 
    {
        if(s[len-1]=='\n')
        {

         // printf("行\n");
          write(fp->fileno,fp->outbuffer,fp->out_pos);
          fp->out_pos=0;
        }
    }
    else{//全缓冲，满了才刷到文件中
        if(fp->out_pos==SIZE)
        {
          write(fp->fileno,fp->outbuffer,fp->out_pos);
          fp->out_pos=0;
        }
    } 

    return len;
}

void _fclose(_FILE* fp)
{
   assert(fp);
   
   if(fp->out_pos>0) _fflush(fp);//关闭之前先看用户及缓冲区

   close(fp->fileno); 
   free(fp);
}

void _fflush(_FILE* fp)//可以刷新内核级缓冲区
{
   if(fp->out_pos>0)
   {
     write(fp->fileno,fp->outbuffer,fp->out_pos);//刷新就是写入
     fp->out_pos=0;
     //lseek(fp->fileno, 0, SEEK_SET);
   }
}

size_t _fread(void*ptr,size_t size,size_t num, _FILE*stream)
{
   if(stream->out_pos>0) _fflush(stream);
    
   size_t readsize= size*num;//ptr的大小
   size_t buffersize=SIZE;//缓冲区的大小
   size_t total=0;

   if(buffersize>=readsize)
   { 
     ssize_t ret=read(stream->fileno,stream->inbuffer,readsize);
     
     if(ret<0)  
     {
       printf("不对\n");
       perror("ret\n");
     }
     
     memcpy(ptr,stream->inbuffer,ret);
     *((char*)ptr+ret)='\0';
     total=ret;

     //printf("%s\n",ptr);
   }
   else
   {
     while(total<readsize)
     {
       size_t ret=read(stream->fileno,stream->inbuffer,buffersize);
       if(ret<0) break;

       memcpy((char*)ptr+total,stream->inbuffer,ret);
       total+=ret;

       *((char*)ptr+total)='\0';
     } 
   }
  return total;
}

main.c

#include "mystdio.h"
#include<stdio.h>
int main()
{
  _FILE* fp=_fopen("log.txt","w+");
  //printf("file: %d", fp->fileno);

  const char* str="hello,world\n";
 
  _fwrite(fp,str,strlen(str));
 
  _fseek(fp,0,SEEK_SET);
  

  char ptr[10]="";
  
  _fread(ptr,1,5,fp);

  printf("%s\n",ptr);
  
  _fclose(fp);

  return 0;
}