文件描述符

在 Linux 的世界里，一切设备皆文件。我们可以系统调用中 I/O 的函数（I：input，输入；O：output，输出），对文件进行相应的操作（ open()、close()、write() 、read() 等）。

打开现存文件或新建文件时，系统（内核）会返回一个文件描述符，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，文件描述符是非负整数，是文件的标识，操作这个文件描述符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、标准输出、标准错误输出设备文件被打开，对应的文件描述符 0、1、2 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。

#define STDIN_FILENO 0 //标准输入的文件描述符

#define STDOUT_FILENO 1 //标准输出的文件描述符

#define STDERR_FILENO 2 //标准错误的文件描述符

在程序运行起来后打开其他文件时，系统会返回文件描述符表中最小可用的文件描述符，并将此文件描述符记录在表中。Linux 中一个进程最多只能打开 NR_OPEN_DEFAULT （即1024）个文件，故当文件不再使用时应及时调用 close() 函数关闭文件。

常用 I/0 函数

需要的头文件：

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

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

功能：

打开文件，如果文件不存在则创建。

参数：

pathname: 文件的路径及文件名。

flags: 打开文件的行为标志，如，以只读方式（O_RDONLY，第一个为字母不是数据）打开，以读写或新建新文件的方式（O_RDWR|O_CREAT）打开。

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（文件权限详情，请点此链接）。

返回值：

成功：成功返回打开的文件描述符

失败：-1

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

ssize_t write(int fd, const void *addr, 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

addr: 数据首地址

count: 写入数据的长度（字节），一般情况下，数据有多少，就往文件里写多少，不能多也不能少

返回值：

成功：实际写入数据的字节个数

失败：-1

ssize_t read(int fd, void *addr, 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

addr: 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

实战示例

接下来，我们使用以上 4 个系统调用 I/O 函数写一个程序，能实现像系统命令 cp 的功能：

使用 open() 打开源文件，使用 read() 从文件读数据，使用 write() 向目的文件写数据，示例代码如下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc, char *argv[])
{if((argc == 3) && (strcmp(argv[1], argv[2]) != 0)){// 保证有 3 个参数，而且源文件和目的文件名字不能一样int fd_src, fd_dest, ret;//只读方式打开源文件fd_src = open(argv[1], O_RDONLY); if(fd_src < 0){perror("open argv[1]");return -1;}// 新建目的文件fd_dest = open(argv[2], O_WRONLY|O_CREAT, 0755);if(fd_dest < 0){close(fd_src);perror("open argv[2]");return -1;}do{char buf[1024] = {0};// 从源文件读取数据ret = read(fd_src, buf, sizeof(buf));// 把数据写到目的文件，注意最后一个参数，有多少写多少write(fd_dest, buf, ret);}while(ret > 0);// 关闭已打开的文件close(fd_src);close(fd_dest);}return 0;
}

运行结果如下：

文件IO

1. 引言
大多数LInux文件IO只需用到5个函数:open read write lseek close.

2. 文件描述符
对于内核而言，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。当读、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.1应用程序中，幻数0、1、2应被代换成符号常数STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO。这些常数都定义在头文件<unistd.h>中。
每个进程运行时，系统已分配3个文件描述符(0,1,2),分别对应标准输入，标准输出, 标准错误输出

3. 文件IO中常用的函数

3.1 open:
打开一个文件或者设备文件, 返回一个文件描述符。当操作此文件描述符时，就是操作相应的文件或设备
int open(char *pathname,int falgs,.../*mode*/)
flags 必须指其中O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR唯一项
可选项：
O_APPEND 每次写操写都将文件指针定位文件尾处
O_CREAT 如果文件不存在创建新文件
O_EXCL 如指定O_CREAT时文件存在出错返回
O_TRUNC 必须以O_WRONL或O_RDWR进行操作,把文件清空

O_NONBLOCK 以非阻塞的方式打开
O_NOCTTY 如果打开文件为终端设备,不将该设备分配为此进程的控制终端
O_SYNC 每次write都等到I/O操作完成，并等文件的属性更新
O_RSYNC 作为read操作等侍，直到任何对同文件部分未决的写入完成
O_DSYNC 每次write都等到I/O操作完成，不等文件的属性更
mode指定创建文件的权限
//创建一个文件，假设这个文件存在时要清空
open("文件", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0777);
fd = open("txt", O_RDONLY | O_CREAT | O_EXCL, 0644);

3.2 creat
int creat(char *pathname,mode_t mode)
等价于：open(char *,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode)

3.3 read
读取已经打开的文件中的数据。读了文件以后，文件描述符对应文件的offset会自动偏移。
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
从文件描述符fd指向文件里读取最大为count字节的数据放到buf指定的地址上去.
返回值: 为实际上读取的数值, 为0时读到文件尾, 为-1时错误

3.4 write
向指定的文件中写数据。成功写以后，文件描述符的offset自动偏移
size_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
把在buf地址指定的数据写到fd指向的文件里，最大写count字节.
成功返回写了多少字节, -1失败。write出错的一个常见原因是：磁盘已写满，或者超过了对一个给定进程的文件长度限制。

3.5 lseek
每个打开文件都有一个与其相关联的“当前文件位移量”。它是一个非负整数，用以度量
从文件开始处计算的字节数。就是改变文件描述符的偏移位置。
off_t lseek(int fildes, off_t offset, int whence);
whence:
SEEK_SET : 把偏移量设为offset, 从文件头开始.
SEEK_CUR : 把当前偏移量加上offset的值
SEEK_END : 先从文件尾开始偏移offset的值

返回值：成功返回定位之后的文件指针偏移失败返回 -1
返回当前文件的偏移量
off_t currpos = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);
3.7 close
把没用的文件描述符关掉，把此文件描述符重新分配.
int close(int fd);

3.8 dup
可用来复制一个现存的文件描述符.
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2(oldfd, newfd) //让newfd成为oldfd的一个副本
dup2(fd, 1); //让fd替代标准输出

int ret=dup2(old,new)
如果new 打开的，则关闭new 返回新的文件描述符失败返回－1. du2是一个原子操作。
dup2可以用newfd参数指定新描述符的数值。如果newfd当前已经打开，则先将其关闭再做dup2操作，如果oldfd等于newfd，则dup2直接返回newfd而不用先关闭newfd再复制。

3.9 fcntl
用于改变已打开的文件的性质只能改变O_APPEND, O_NONBLOCK,O_ASYNC, O_DIRECT
int fcntl(int fileds,int cmd,.../*int arg */)
第三个参数除了cmd用于记录锁时为一个结构指针之外，其余均为整数

fcntl五种功能如下:
.复制一个现有的描述符 cmd=F_DUPFD
复制的新文件描述符清掉文件描述符标志并且共享同一个文件表项

.获得/设置文件描述符标记 cmd=F_GETFD/F_SETFD
flags = fcntl(fd, F_GETFL); //获取
fcntl(fd, F_SETFL, flags); //设置

.获得/设置文件状态标志 cmd=F_GETFL/F_SETFL
忽略 O_CREAT, O_EXCL, O_NOCTTY, O_TRUNC标志
由于历史原因O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR并不各占一位,
它们之间互斥。因此首先必须用屏蔽字O_ACCMODE
取得访问模式然后与这三种flags比较
value=fcntl(fd,F_GETFL,0);
switch(value & O_ACCMODE){
case O_RDONLY :
}

.获得/设置导步I/O所有权cmd=F_GETOWN/F_SETOWN
.获得/设置记录锁 cmd=F_GETLK F_SETLK/F_SETLKW

3.10 pread pwrite
定位文件进行读写不影响文件指针偏移和读写操作为原子操作

3.11 sync
void sync(void)
:函数只是将所有修改过的块缓冲区排入写队列，然后就返回，并不等实际写磁盘完成
int fsync(int fd)
:等待实际磁盘写操作完成，并且同步更新文件的属性，可用于数据库类型的应用程序
int fdatasync(int fd)
:类似于fsync，但只影响文件的数据部分不影响文件的属性

3.12 ioctl
int ioctl(int fd, int request, ...);
称之为I/O操作的垃圾箱只要其字操函数不能或难于实现在它都可能很容易做到
==========================================================
4. 某些系统下提供名为/dev/fd/N 等文件。打开文件/dev/fd/N　等效于复制Ｎ文件描述符(假定Ｎ描述符是打开的)
与其Ｎ共享文件表项
也有某些系统为/dev/fd/stdin /dev/fd/stdout 等，均为同等操作

homework：
1. 实现mycopy拷贝一个文件到另外一个文件(功能相当于 cp a.txt b.txt)
2. 实现mytouch 创建一个文件(功能相当于touch a.txt)。
3. 编写一个同dup2功能相同的函数，要求不调用fcntl函数并且要有正确的出错处理。
4. 在如启用添加标志打开一文件以便读、写，能否用lseek在任一位置开始读？能否用lseek更新文件中任一部分的数据？请写一段程序以验证之。

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