Linux编程——文件 IO操作

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   Linux文件 I\O 介绍

    1. Linux系统调用

    Linux系统调用(system call)是指操作系统提供给用户程序的一组“特殊接口”，用户程序可以通过这组“特殊”接口来获得操作系统提供的特殊服务。

    为了更好的保护内核空间，将程序的运行空间分为内核空间和用户空间，他们运行在不同的级别上，在逻辑上是相互隔离的。在Linux中，用户程序不能直接访问内核提供的服务，必须通过系统调用来使用内核提供的服务。

    Linux中的用户编程接口（API）遵循了UNIX中最流行的应用编程界面标准——POSIX。这些系统调用编程接口主要是通过C库(libc)实现的。

    2. 文件描述符

    对内核而言，所有打开文件都由文件描述符引用。文件描述符是一个非负整数。当打开一个现存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。当写一个文件时，用open或create返回的文件描述符标识该文件，将其作为参数传送给read或write。

    在POSIX应用程序中，整数0、1、2应被代换成符号常数：

1.     STDIN_FILENO(标准输入，默认是键盘)
2.     STDOUT_FILENO(标准输出，默认是屏幕)
3.     STDERR_FILENO(标准错误输出，默认是屏幕)

    这些常数都定义在头文件<unistd.h>中，文件描述符的范围是0～OPEN_MAX。早期的UNIX版本采用的上限值是19（允许每个进程打开20个文件）， 现在很多系统则将其增加至256。

    可用的文件I\O函数很多，包括：打开文件，读文件，写文件等。大多数Linux文件I\O只需要用到5个函数：open，read，write，lseek以及close。

   基本API学习

    1. open

    需要包含的头文件：<sys/types.h>,<sys/stat.h>,<fcntl.h> 函数原型：  

int open(const str * pathname, int oflag, [..., mode_t mode])

    功能：打开文件  返回值：成功则返回文件描述符，出错返回-1  参数：

    pathname: 打开或创建的文件的全路径名   oflag：可用来说明此函数的多个选择项， 详见后。 mode：对于open函数而言，仅当创建新文件时才使用第三个参数，表示新建文件的权限设置。

    详解oflag参数：oflag 参数由O_RDONLY(只读打开)、O_WRONLY(只写打开)、O_RDWR(读写打开)中的一个于下列一个或多个常数 O_APPEND: 追加到文件尾 O_CREAT: 若文件不存在则创建它。使用此选择项时，需同时说明第三个参数mode，用其说明新闻件的访问权限 O_EXCL: 如果同时指定O_CREAT，而该文件又是存在的，报错；也可以测试一个文件是否存在，不存在则创建。O_TRUNC: 如果次文件存在，而且为读写或只写成功打开，则将其长度截短为0 O_SYNC: 使每次write都等到物理I\O操作完成。

    用open创建一个文件：open.c 

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

#define FILE_PATH   "./test.txt"

int main(void)
{
    int fd;
    if ((fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT | O_EXCL, 0666)) < 0) {
        printf("open error\n");
        exit(-1);
    } else {
        printf("open success\n");
    }
    return 0;
}

    如果当前目录下以存在test.txt，屏幕上就会打印“open error”；不存在则创建该文件，并打印“open success”。

    2. read

    需要包含的头文件：<unistd.h>

    函数原型：

ssize_t read(int fd, void * buf, size_t count)

    功能：从打开的文件中读取数据。  返回值：实际读到的字节数；已读到文件尾返回0，出错的话返回-1，ssize_t是系统头文件中用typedef定义的数据类型相当于signed int 参数：fd：要读取的文件的描述符buf：得到的数据在内存中的位置的首地址count：期望本次能读取到的最大字节数。size_t是系统头文件中用typedef定义的数据类型，相当于unsigned int。

    3. write

   需要包含的头文件：<unistd.h> 函数原型：

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

    功能：向打开的文件写数据 返回值：写入成功返回实际写入的字节数，出错返回-1。

    不得不提的是，返回-1的常见原因是：磁盘空间已满，超过了一个给定进程的文件长度。

    参数： fd：要写入文件的文件描述符buf：要写入文件的数据在内存中存放位置的首地址count：期望写入的数据的最大字节数。

    read和write使用范例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    char buf[100];
    int num = 0;

    // 获取键盘输入，还记得POSIX的文件描述符吗？
    if ((num = read(STDIN_FILENO, buf, 10)) == -1) {
        printf ("read error");
        error(-1);
    } else {
    // 将键盘输入又输出到屏幕上
        write(STDOUT_FILENO, buf, num);
    }

    return 0;
}

    4. close

    需要包含的头文件：<unistd.h> 函数原型：int close(int filedes) 功能：关闭一个打开的文件 参数：需要关闭文件的文件描述符。

    当一个进程终止的时候，它所有的打开文件都是由内核自动关闭。很多程序都使用这一功能而不显式地调close关闭一个已打开的文件。 但是，作为一名优秀的程序员，应该显式的调用close来关闭已不再使用的文件。

    5. lseek

    每个打开的文件都有一个“当前文件偏移量”，是一个非负整数，用以度量从文件开始处计算的字节数。通常，读写操作都是从当前文件偏移量处开始，并使偏移量增加所读或写的字节数。默认情况下，你打开一个文件(open)，除非指定O_APPEND参数，不然位移量被设为0。

    需要包含的头文件：<sys/types.h>,<unistd.h> 函数原型：

off_t lseek(int filesdes, off_t offset, int whence)

    功能：设置文件内容读写位置 返回值：成功返回新的文件位移，出错返回-1；同样off_t是系统头文件定义的数据类型，相当于signed int 参数：

1.     whence是SEEK_SET, 那么该文件的位移量设置为据文件开始处offset个字节
2.     whence是SEEK_CUR, 那么该文件的位移量设置为当前值加offset。offset可为正或负
3.     whence是SEEK_END, 那么该文件的位移量设置为文件长度加offset。offset可为正或负

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

int main(int argc, char * argv[])
{
    int fd;
    char buf[100];
    if ((fd = open(argv[1], O_RDONLY)) < 0) {
        perror("open");
        exit(-1);
    }
    read(fd, buf, 1);
    write(STDOUT_FILENO, buf, 1);
    lseek(fd, 2, SEEK_CUR);

    read(fd, buf, 1);
    write(STDOUT_FILENO, buf, 1);
    lseek(fd, -1, SEEK_END);

    read(fd, buf, 1);
    write(STDOUT_FILENO, buf, 1);
    lseek(fd, 0, SEEK_SET);

    read(fd, buf, 1);
    write(STDOUT_FILENO, buf, 1);
    close(fd);
    printf("\n");

    return 0;
}

    6. select

    之前的read函数可以监控一个文件描述符(eg：键盘)是否有输入，当键盘没有输入，read将会阻塞，直到用户从键盘输入为止。用相同的方法可以监控鼠标是否有输入。但想同时监控鼠标和键盘是否有输入，这个方法就不行的了。

// /dev/input/mice 是鼠标的设备文件
fd = open("/dev/input/mice", O_RDONLY);
read(0, buf, 100);
read(fd, buf, 100);

    在上面的程序中，当read键盘的时候，若无键盘输入则程序阻塞在第2行，此时即使鼠标有输入，程序也没有机会执行第3行获得鼠标的输入。这种情况就需要select同时监控多个文件描述符。

    需要包含的头文件：<sys/select.h> 函数原型：

int select(int maxfd, fd_set \* readset, fd_set \* writeset, fd_set \* exceptset, const struct timeval \* timeout)

    返回值：失败返回-1，成功返回readset，writeset，exceptset中所有，有指定变化的文件描述符的数目(若超时返回0)

    参数： maxfd：要检测的描述符个数， 因此值应为最大描述符+1 readset：被监控是否有输入的文件描述符集。不监控时，设为NULL writeset：被监控是否可以输入的文件描述符集。不监控时，设为NULL exceptset：被监控是否有错误产生的文件描述符集。不监控时，设为NULL timeval：监控超时时间。设置为NULL表示一直阻塞到有文件描述符被监控到有指定变化。

    readset，writeset，exceptset这三个描述符集指针均是值—结果参数，调用的时候，被监控描述符相应位需要置1；返回时，未就绪的描数字相应位会被清0，而就绪的会被置1。下面的系统定义的宏，和select配套使用

    FD_ZERO(&rset)：将文件描述符集rset的所有位清0

    FD_SET(4, &reset)：设置文件描述符集rset的bit 4

    FD_CLR(fileno(stdin), &rset)：将文件描述符集rset的bit 0清0

    FD_ISSET(socketfd, &rset)：若文件描述符集rset中的socketfd位置1   

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define MAXNUM      100
#define OPEN_DEV    "/dev/input/mice"

int main(void)
{
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;
    int retval, fd;
    char buf[MAXNUM];

    fd = open(OPEN_DEV, O_RDONLY);
    while (1) {
        FD_ZERO(&rfds);
        FD_SET(0, &rfds);
        FD_SET(fd, &rfds);
        tv.tv_sec = 5;
        tv.tv_usec = 0;

        retval = select(fd+1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
        if (retval < 0)
            printf ("error\n");
        if (retval == 0)
            printf ("No data within 5 seconds\n");
        if (retval > 0) {
            if (FD_ISSET(0, &rfds)) {
                printf ("Data is available from keyboard now\n");
                read(0, buf, MAXNUM);
            }
            if (FD_ISSET(fd, &rfds)) {
                printf ("Data is available from mouse now\n");
                read(fd, buf, MAXNUM);
            }
        }
    }
    return 0;
}

   

   stat 的使用

    Linux有个命令，ls -l,效果如下：

   

    这个命令能显示文件的类型、操作权限、硬链接数量、属主、所属组、大小、修改时间、文件名。它是怎么获得这些信息的呢，请看下面的讲解。

    1. stat 的基本使用

    系统调用stat的作用是获取文件的各个属性。

    需要包含的头文件： <sys/types.h>，<sys/stat.h>，<unistd.h> 函数原型：   

int stat(const char \* path, struct stat \* buf)

     功能：查看文件或目录属性。将参数path所指的文件的属性，复制到参数buf所指的结构中。参数：path：要查看属性的文件或目录的全路径名称。buf：指向用于存放属性的结构体。stat成功调用后，buf的各个字段将存放各个属性。struct stat是系统头文件中定义的结构体，定义如下： 

struct stat {
    dev_t       st_dev;
    ino_t       st_ino;
    mode_t      st_mode;
    nlink_t     st_nlink;
    uid_t       st_uid;
    gid_t       st_gid;
    dev_t       st_rdev;
    off_t       st_size;
    blksize_t   st_blksize;
    blkcnt_t    st_blocks;
    time_t      st_atime;
    time_t      st_mtime;
    time_t      st_ctime;
};

    st_ino：节点号 st_mode：文件类型和文件访问权限被编码在该字段中 st_nlink：硬连接数  st_uid：属主的用户ID  st_gid：所属组的组ID st_rdev：设备文件的主、次设备号编码在该字段中 st_size：文件的大小  st_mtime：文件最后被修改时间

    返回值：成功返回0；失败返回-1

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

int main(int argc, char **argv)
{
    struct stat     buf;
    if(argc != 2) { 
        printf("Usage: stat <pathname>"); 
        exit(-1); 
    }
    if(stat(argv[1], &buf) != 0) { 
        printf("stat error."); 
        exit(-1); 
    }
    printf("#i-node:    %ld\n", buf.st_ino);
    printf("#link:      %d\n", buf.st_nlink);
    printf("UID:        %d\n", buf.st_uid);
    printf("GID:        %d\n", buf.st_gid);
    printf("Size        %ld\n", buf.st_size);
    exit(0);
}

     2. 文件类型的判定

    struct stat中有个字段为st_mode，可用来获取文件类型和文件访问权限，我们将陆续学到从该字段解码我们需要的文件信息。st_mode中文件类型宏定义：

   

    我们修改上面的例子：

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

int main(int argc, char **argv)
{
    struct stat buf;
    char * file_mode;
    if(argc != 2) {
        printf("Usage: stat <pathname>\n"); 
        exit(-1); 
    }
    if(stat(argv[1], &buf) != 0) {
        printf("stat error.\n"); 
        exit(-1); 
    }
    if (S_ISREG(buf.st_mode))
        file_mode = "-";
    else if (S_ISDIR(buf.st_mode))
        file_mode = "d";
    else if (S_ISCHR(buf.st_mode))
        file_mode = "c";
    else if(S_ISBLK(buf.st_mode))
        file_mode = "b";
    printf("#i-node:    %ld\n", buf.st_ino);
    printf("#link:      %d\n", buf.st_nlink);
    printf("UID:        %d\n", buf.st_uid);
    printf("GID:        %d\n", buf.st_gid);
    printf("Size        %ld\n", buf.st_size);
    printf("mode: %s\n", file_mode);
    exit(0);
}

     

    目录操作

    当目标是目录而不是文件的时候，ls -l的结果会显示目录下所有子条目的信息，怎么去遍历整个目录呢？答案马上揭晓！

    1. 打开目录

    需要包含的头文件：<sys/types.h>，<dirent.h>

    函数原型：DIR * opendir(const char * name)

    功能：opendir()用来打开参数name指定的目录，并返回DIR *形态的目录流 返回值：成功返回目录流；失败返回NULL

    2. 读取目录

    函数原型：struct dirent * readdir(DIR * dir)

    功能：readdir()返回参数dir目录流的下一个子条目(子目录或子文件)

    返回值： 成功返回结构体指向的指针，错误或以读完目录，返回NULL

    函数执行成功返回的结构体原型如下：  

struct dirent {
   ino_t   d_ino;
   off_t   d_off;
   unsigned short  d_reclen;
   unsigned char   d_type;
   char    d_name[256];
};

    其中 d_name字段，是存放子条目的名称

    3. 关闭目录

    函数原型：int closedir(DIR * dir)

    功能：closedir()关闭dir所指的目录流

    返回值：成功返回0；失败返回-1，错误原因在errno中

    我们来学习一个综合的例子吧： 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <dirent.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    DIR *dp;
    struct dirent *entp;
    if (argc != 2) {
        printf("usage: showdir dirname\n");
        exit(0);
    }
    if ((dp = opendir(argv[1])) == NULL) {
        perror("opendir");
        exit(-1);
    }
    while ((entp = readdir(dp)) != NULL)
        printf("%s\n", entp->d_name);

    closedir(dp);
    return 0;
}