陈斌彬的技术博客

Stay foolish,stay hungry

Linux -文件 IO 介绍 (一)

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

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，仅当创建新闻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用 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，你打开一个文件时(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。

Tips:

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

1.FD_ZERO(&rset)：将文件描述符集 rset 的所有位清 0

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

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

4.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;
}