Linux系统编程---文件IO

一、系统调用

由操作系统实现并提供给外部应用程序的编程接口(Application Programming Interface，API),用户程序可以通过这个特殊接口来获得操作系统内核提供的服务

系统调用和库函数的区别：

系统调用(系统函数)     内核提供的函数

库调用                         程序库中的函数

错误处理函数

errno用于记录系统的最后一次错误代码，返回一个int值(错误码)，在errno.h中定义，不同的错误码表示不同的含义，新建errno.c如下：

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>int main(void)
{FILE *fp = fopen("txt","r");//打开一个不存在的文件if (NULL == fp){printf("fopen failed\n");printf("errno:%d\n",errno);//打印errno返回的错误码printf("fopen:%s\n",strerror(errno));//使用strerror函数来解释错误码return 1;}return 0;
}

编译再执行可得如下结果：

fopen failed
errno:2
fopen:No such file or directory

虚拟地址空间：

文件描述符：

  • 当我们打开文件或者新建文件时，系统会返回一个文件描述符用来指定已打开的文件，这个文件描述符相当于这个已打开文件的标号，操作这个文件描述符就相当于操作这个描述符所指定的文件；
  • 程序运行起来后每个进程都有一张文件描述符的表，标准输入、输出，标准错误输出，对应的文件描述符0、1、2就记录在表中，程序运行起来后这三个文件描述符是默认打开的；

文件描述符是指向一个文件结构体的指针

进程控制块(PCB)：本质---结构体

FILE结构体：主要包含文件描述符、文件读写位置、IO缓冲区三部分内容

最大打开文件数：一个进程默认打开文件的个数1024

命令查看：ulimit -a 查看open files 对应值。默认为1024   

可以使用ulimit -n 4096 修改

cat /proc/sys/fs/file-max可以查看该电脑最大可以打开的文件个数。受内存大小影响。

二、常用文件IO函数

1.open函数

#include <sys/types.h>
#include <sys.stat.h>
#include <fcntl.h>

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

参数：

        pathname: 欲打开的文件路径名

        flags：文件打开方式： #include <fcntl.h>

                O_RDONLY|O_WRONLY|O_RDWR

                O_CREAT|O_APPEND|O_TRUNC|O_EXCL|O_NONBLOCK ....

        mode：这个参数只有在文件不存在时有效,指新建文件时指定文件的权限

                取值8进制数，用来描述文件的访问权限。 rwx 0664

                创建文件最终权限 = mode & ~umask

返回值：

        成功： 打开文件所得到对应的 文件描述符（整数）

        失败： -1， 设置errno

flags必选项：

O_RDONLY        以只读的方式打开    

O_WRONLY       以只写的方式的打开

O_RDRW           以可读、可写的方式打开

 可选项，和必选项进行位或(|)

O_CREAT                文件不存在则创建文件，使用此选项时需使用mode说明文件的权限
O_EXCL                   如果同时指定了O_CREAT，且文件已经存在，则出错
O_TRUNC                如果文件存在，则清空文件内容
O_APPEND              写文件时，数据添加到文件末尾
O_NONBLOCK         对于设备文件，以O_NONBLOCK方式打开可以做非阻塞I/O

打开dict.cp，如果不存在则创建，并添加权限，如果存在则清空内容：

#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>int main(int argc,char *argv[])
{int fd;open("./dict.cp",O_RDONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0644);//rw-r--r--printf("fd = %d\n",fd);close(fd);return 0;
}

 对于存在mydir目录以及不存在mydir目录执行以下程序：

#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>int main(int argc,char *argv[])
{int fd;open("mydir",O_WRONLY);printf("fd = %d,errno = %d:%s\n",fd,errno,strerror(errno));close(fd);return 0;
}

mydir目录存在输出为：

fd = 21991,errno = 21:Is a directory

mydir目录不存在输出为：

fd = 22002,errno = 2:No such file or directory

2.close函数

#include <unistd.h>

int close(int fd);
功能：
        关闭已打开的文件
参数：
        fd：文件描述符，open()的返回值
返回值：
        成功：0
        失败：-1，并设置errno

3.write函数

#include <unistd.h>


ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
功能：
        把指定数目的数据写到文件(fd)
参数：
        fd：文件描述符
        buf：数据首地址
        count：写入数据的长度(字节)
返回值：

        成功：实际写入数据的字节个数
        失败：-1

4.read函数

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
功能：
        把指定数目的数据读到内存(缓冲区)
参数：
        fd：文件描述符
        buf：内存首地址
        count：读取的字节个数
返回值：
        成功：实际读取到的字节个数
        失败：-1

 用read和write实现一个copy函数：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<fcntl.h>int main(int argc,char *argv[])
{char buf[1024];int n = 0;int fd1 = open(argv[1],O_RDONLY);//readif (fd1 == -1){perror("open argv1 error");exit(1);}int fd2 =open(argv[2],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0644);if (fd2 == -1){perror("open argv2 error");exit(1);}while((n = read(fd1,buf,1024)) != 0){if (n < 0){perror("read error");break;  }write(fd2,buf,n);}close(fd1);close(fd2);return 0;
}

5.lseek函数

#include <sys/types.h>#include cunistd.h>


off_t lseek(int fd，off_t offset，int whence);

功能:
       改变文件的偏移量(读写位置)

参数:
        fd:文件描述符

        offset:根据whence来移动的位移数（偏移量)，可以是正数，也可以负数，如果正数，则相对于whence往右移动，如果是负数，则相对于whence往左移动。如果向前移动的字节数超过了文件开头则出错返回，如果向后移动的字节数超过了文件末尾,再次写入时将增大文件尺寸。


        whence:其取值如下:
                SEEK_SET:从文件开头移动offset个字节

                SEEK_CUR:从当前位置移动offset个字节            

                SEEK__END:从文件未尾移动offset个字节

返回值:
        若lseek成功执行,则返回新的偏移量

        如果失败,返回-1

lseek允许超过文件结尾设置偏移量，文件会因此被拓展。

使用lseek获取文件大小：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>int main(int argc,char *argv[])
{int fd = open(argv[1],O_RDWR);if (fd == -1){perror("read error");exit(1);}int lenth = lseek(fd,0,SEEK_END);//获取文件大小printf("file size:%d\n",lenth);close(fd);return 0;
}

make之后执行 ./lseek_test dict.c 可得到dict.c的文件大小

out：

file size:48

使用lseek扩展文件大小：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>int main(int argc,char *argv[])
{int fd = open(argv[1],O_RDWR);if (fd == -1){perror("read error");exit(1);}int lenth = lseek(fd,52,SEEK_END);//扩展文件大小printf("file size:%d\n",lenth);write(fd,"a",1);close(fd);return 0;
}

make之后执行 ./lseek_test dict.c 可得到dict.c的文件大小，再执行ls -l dict.c得到扩展之后的文件大小，输出分别为：

file size:100

-rw-rw-r-- 1 *** *** 101 *** ** *** dict.c

应用场景：

1. 文件的“读”、“写”使用同一偏移位置。

2. 使用lseek获取文件大小（返回值接收）

3. 使用lseek拓展文件大小：要想使文件大小真正拓展，必须【引起IO操作】(即write)。

使用 truncate 函数，直接拓展文件。

int ret =truncate("dict.cp”,250):

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>int main(int argc,char *argv[])
{//open/lseek(fd,249.SEED_END)/write(fd,"\0",1);int ret = truncate("dict.cp",200);printf("ret = %d\n",ret);return 0;
}

起始cidt.cp文件大小为0，经过以上代码扩展之后，cidt.cp文件大小为200

三、系统调用和库函数比较---预读入缓输出

fputc/fgetc实现：

int main(void){FILE *fp,*fp_out;int n = 0;fp = fopen( " hello.c" , "r");if(fp == NULL){perror( " fopen error" );exit( 1);}fp_out = fopen ( "hello.cp" ,"w" );if(fp_out =NULL){perror( "fopen error" );exit(1);}while((n = fgetc(fp))!= EOF){fputc(n, fp_out) ;}fclose(fp);fclose(fp_out);return 0;
}

read/write实现：

int main( int argc, char *argv[])
{char buf[ 1];int n = 0;int fd1 = open(argv[1]，0_RDONLY);int fd2 = open(argv[2]，O_RDWR|0_CREAT|0_TRUNC，0664);while((n = read (fd1,buf,1)) != 0){write(fd2, buf, n);}close(fd1);close(fd2);return 0;
}

结果表明：read/write速度慢

原因分析：

  • read/write这块，每次写一个字节，会疯狂进行内核态和用户态的切换，所以非常耗时。
  • fgetc/fputc，有个缓冲区，4096，所以它并不是一个字节一个字节地写，内核和用户切换就比较少

预读入，缓输出机制。所以系统函数并不是一定比库函数牛逼，能使用库函数的地方就使用库函数。

  • 标准IO函数自带用户缓冲区，系统调用无用户级缓冲。系统缓冲区是都有的。

四、阻塞和非阻塞

产生阻塞的场景：读设备文件。读网络文件的属性。（读常规文件无阻塞概念）

/dev/tty -- 终端文件。

open("/dev/tty", O_RDWR | O_NONBLOCK) --- 设置 /dev/tty 非阻塞状态。(默认为阻塞状态)

更改非阻塞读取终端——超时设置

#include <unistd.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  #define MSG_TRY "try again\n"  
#define MSG_TIMEOUT "time out\n"  int main(void)  
{  //打开文件int fd, n, i;  fd = open("/dev/tty", O_RDONLY | O_NONBLOCK);  if(fd < 0){  perror("open /dev/tty");  exit(1);  }  printf("open /dev/tty ok... %d\n", fd);  //轮询读取char buf[10];  for (i = 0; i < 5; i++){  n = read(fd, buf, 10);  if (n > 0) {                    //说明读到了东西  break;  }  if (errno != EAGAIN) {          //EWOULDBLOCK    perror("read /dev/tty");  exit(1);  } else {  write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));  sleep(2);  }  }  //超时判断if (i == 5) {  write(STDOUT_FILENO, MSG_TIMEOUT, strlen(MSG_TIMEOUT));  } else {  write(STDOUT_FILENO, buf, n);  }  //关闭文件close(fd);  return 0;  
}

五、传入传出参数

传入参数：

        1. 指针作为函数参数。

        2. 同常有const关键字修饰。

        3. 指针指向有效区域， 在函数内部做读操作。

传出参数：

        1. 指针作为函数参数。

        2. 在函数调用之前，指针指向的空间可以无意义，但必须有效。

        3. 在函数内部，做写操作。

        4。函数调用结束后，充当函数返回值。

传入传出参数：

        1. 指针作为函数参数。

        2. 在函数调用之前，指针指向的空间有实际意义。

        3. 在函数内部，先做读操作，后做写操作。

        4. 函数调用结束后，充当函数返回值。

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