Linux-文件I/O小结

电玩女神 2022-06-02 22:22 210阅读 0赞

#### 首先需要复习三个知识点： ####

##### **一、通过系统层析结构图了解系统调用所处的位置：以下所总结的函数经常被称为不带缓冲的I/O，也就是所谓的每个read和write都调用内核中的一个系统调用。** #####

![这里写图片描述][SouthEast]

##### 在linux中，查看系统调用文件的帮助文档需要在man指令后加上2，指定在系统调用章节查看。 #####

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##### **二、文件描述符：** #####

##### 在linux中，进程是通过文件描述符(file descriptors 简称fd)来访问文件的，文件描述符实际上是一个非负整数。当打开一个现有文件或创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。当读或者写一个文件时，也需要将对应的文件描述符作为参数传给对应函数。 #####

##### 在程序刚启动的时候，默认有三个文件描述符，分别是：0(代表标准输入)，1(代表标准输出)，2(代表标准出错)。如果不修改已经打开文件，再打开一个新的文件的话，它的文件描述符就是3。 #####

##### 注意：POSIX标准规定，由open返回的文件描述符一定是最小的未用描述符数值。 #####

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##### **三、内核所用的I/O的数据结构：** #####

##### 内核使用三种数据结构表示打开的文件： #####

1. 每个进程再进程表中都有一个记录项，记录项中包含有一张打开文件描述符表，可将其看做一个矢量，每个描述符占用一项。与每个文件描述符关联的是：
         a)文件描述符标志；
         b)指向一个文件表项的指针；
     2. 内核为所有打开文件维持一张文件表。每个文件表项包含：
         a)文件状态标志；
         b)当前文件偏移量；
         c)指向该文件V节点表项的指针。
    
     3. 每个打开文件都有一个i节点（i_node）结构。i节点包含了文件类型和对比文件进行各种操作的函数的指针。

![这里写图片描述][SouthEast 1]

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##### 当我们执行open操作时，就必须使得进程和文件关联起来。按照上面的描述：在每个进程的task\_struct中，有一个指向files\_struct的指针\*files，在files\_struct中，包含一个指针数组，而每个元素都是一个指向打开文件的指针，而文件描述符则是对应指针在该指针数组的下标。所以拿到文件描述符，就可以找到在该数组的对应位置，从而找到对应的打开文件。简化的画一下就是下面这样 #####

## ![这里写图片描述][SouthEast 2] ##

#### 下面开始正式介绍一些系统文件操作的系统调用接口 ####

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> #### **open：（打开或创建一个文件）** ####

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##### **man 手册第二章中对open的描述：** #####

![这里写图片描述][SouthEast 3]

##### 参数中的pathname代表要打开或创建的目标文件；flags表示打开文件时传入的参数选项：可同时使用多个参数进行“或”运算；mode是在当创建一个文件时赋予的权限。 #####

> **常用参数：**  
> **O\_RDONLY：**只读打开;(read only)  
> **O\_WRONLY：**只写打开;(write only)  
> **O\_RDWR：**读，写打开。  
> **（以上三种打开方式必须制定一个且同时只能指定一个）**  
> **O\_CREAT：**若文件不存在，则创建一个新的。创建同时需要使用mode 选项来设置文件的权限  
> **O\_APPEND：**追加写
> 
> **返回值：**  
> 打开成功返回对应文件的描述符；  
> 失败返回1。

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#### 例： ####

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    
    int main()
    {
        close(1); //close stdout
    
        //以只写并创建的方式打开文件，并将权限设置为644
        int fd = open("myfile",O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
        if(fd < 0){
            perror("open");
            return 1;
        }
    
        printf("fid = %d\n",fd);
        close(fd);
        return 0;
    }

##### 输出结果： #####

![这里写图片描述][SouthEast 4]

#### 由于操作系统会默认首先打开stdin,stdout,stderr三个文件，所以我们一进来先关闭stdout，再使用open用读加上创建的参数打开一个文件，并将权限设置为644，打开成功后，打印fd的值，但是由于此时stdout已经关闭，myfile使用了下标为1的位置，而printf则是默认向stdout中写入数据，此时就变成了输出到了myfile文件中。一定要注意文件描述符的分配规则：用当前进程中最小可用的文件描述符。 ####

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> #### **creat：（创建文件）** ####

#### man 2 creat： ####

int creat(const char *pathname, mode_t mode);
    
    //返回值：成功返回为只写打开的文件描述符，失败为-1；
    //该函数等价于open（pathname，O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC ， mode）

##### 注：早期由于open函数第二个参数有限，不能打开一个尚未存在的文件，所以需要creat，但是现在完全可以用open函数取代creat。 #####

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> #### **close：（关闭文件）** ####

#### man 2 close结果： ####

![这里写图片描述][SouthEast 5]

##### 返回值：成功返回0，失败返回-1； #####

##### 注：**打开文件后若不再使用一定要记得关闭，**系统中对于同一时间打开文件数目有上限，一旦达到上限，将无法再打开新的文件。但是当一个进程终止时，内核会自动关闭它所有打开的文件。 #####

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> #### **write：（写文件）** ####

##### **man 2 write结果：** #####

![这里写图片描述][SouthEast 6]

> ##### **参数介绍：** #####
> 
> ##### write第一个参数fd为要写入文件的文件描述符； #####
> 
> ##### 第二个参数buf为写的内容的首地址； #####
> 
> ##### 第三个count为本次要写入数据的**字节**个数。 #####
> 
> ##### **返回值：** #####
> 
> 调用成功后，返回实际写入数据字节数。

--------------------

##### 例： #####

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    #include <string.h>
    
    int main()
    {
        int fd = open("newfile",O_WRONLY | O_CREAT,0644);
        if(fd < 0){
            perror("open");
            return 1;
        }
    
        int count = 3;
        const char* buf = "hello world\n";
        size_t len = strlen(buf); //字符串长度为12
        ssize_t total = 0;
    
        while(count--){
            total += write(fd, buf, len);
        }
        //一共写入三次，一次12个字节，共36字节
        printf("total write num = %ld\n",total);
        close(fd);
        return 0;
    }

##### 输出结果： #####

![这里写图片描述][SouthEast 7]

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> #### **read：（读文件）** ####

##### **man 2 write结果：** #####

![这里写图片描述][SouthEast 8]

> ##### **参数介绍：** #####
> 
> ##### 第一个参数fd为要读取文件的文件描述符； #####
> 
> ##### 第二个参数buf为读取内容存放缓冲区首地址； #####
> 
> ##### 第三个count为缓冲区最多容纳多少字节数。 #####
> 
> ##### **返回值：** #####
> 
> 调用成功后，返回实际写入数据字节数。

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##### 例：从上面例子创建的newfile中将之前输入的内容都读取出来并打印到屏幕上 #####

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    #include <string.h>
    
    int main()
    {
        int fd = open("newfile",O_RDONLY);
        if(fd < 0){
            perror("open");
            return 1;
        }
    
        ssize_t total = 0;
        const char* msg = "hello world\n";
        char buf[1024] = {
       0};
        while(1)
        {
            ssize_t tmp = read(fd, buf, strlen(msg));
            if(tmp > 0){
                total += tmp;
                printf("%s",buf);
            }else{
                break;
            }
        }
    
        printf("total read num = %ld\n",total);
        close(fd);
        return 0;
    }

##### 输出结果： #####

![这里写图片描述][SouthEast 9]

##### **注：write和read返回值类型为ssize\_t，为有符号长整型，使用%ld格式化输出；size\_t 为无符号长整型，%lu格式化输出** #####

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> #### **lseek：（设置打开文件的偏移量）** ####

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#include <sys/types.h>
           #include <unistd.h>
    
           off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
    
    //成功返回新的文件偏移量，出错返回-1

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> ##### **参数介绍：** #####
> 
> ##### ①fd：要设置的文件对应文件描述符； #####
> 
> ##### ②offset：对应解释依靠于参数三； #####
> 
> ##### ③whence： #####
> 
> ##### 当whence为SEEK\_SET时，则将该文件的偏移量设置为距文件开始处offset个字节； #####
> 
> ##### 当whence为SEEK\_CUR时，则将该文件的偏移量设置为当前值加offset，offset可正可负； #####

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##### 注：可通过lseek的返回值来确定所涉及的文件是否可以设置偏移量：若文件描述符引用的是一个管道、FIFO或网络套接字，则lseek返回-1，并将errno置为ESPIPE。 #####

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##### **示例：** #####

#include<stdio.h>
    #include<unistd.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/stat.h>
    #include<fcntl.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
        const char buf1[] = "aaaa";
        const char buf2[] = "bbb";
        int fd = open("file",O_WRONLY | O_CREAT , 0666);
        if(fd < 0){
            perror("open");
            exit(1);
        }
    
        //open success
        if(write(fd, buf1, sizeof(buf1)) != sizeof(buf1)){
            perror("write");
            exit(1);
        }
        //offset = 4
        //write success
        if(lseek(fd, 1, SEEK_SET) == -1){
            perror("lseek");
            exit(1);
        }
        //offset = 1
        if(write(fd, buf2, sizeof(buf2)) != sizeof(buf2)){
            perror("write");
            exit(1);
        }   
    
        return 0;
    }

##### 运行结果： #####

![这里写图片描述][SouthEast 10]

##### 在我们没设置偏移量之前，文件偏移量为4，更改之后偏移量为1，也就是说之后我们再将内容写入文件时，将直接从相对于文件开始偏移量为1的位置开始进行写入。 #####

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注：部分内容参考自《unix环境高级编程》

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[SouthEast 2]: /images/20220603/00431ff54f9749999b32313216cceb86.png
[SouthEast 3]: /images/20220603/2eaf64a8ce254ef4976ac87015acba00.png
[SouthEast 4]: /images/20220603/4c881868d27f4698811e0adb50a4e321.png
[SouthEast 5]: /images/20220603/e0502868f53b4ad78f9369c99a69d2ad.png
[SouthEast 6]: /images/20220603/44ea3f8471614975ac21df0c372ac712.png
[SouthEast 7]: /images/20220603/da6e7abc9e174135b61fcb4bf97456bd.png
[SouthEast 8]: /images/20220603/f2d3a67497da40f5aaa738306e7ae8d6.png
[SouthEast 9]: /images/20220603/ba750b2c7aa5499ab841707be05b0c35.png
[SouthEast 10]: /images/20220603/f58d7ff21a354a9baf580b79ef63a246.png