简明Linux-Linux下的常用文件操作（1）

1open/close函数

查看系统调用的命令：

man 2 functionName

主要查看函数名称，调用方法，描述，参数，返回值等等，先学习如何使用，在学习内部原理

文件描述符是一个整数，会一直伴随着linux各种系统调用

函数名称和功能：open 打开或者创建一个文件

头文件：

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

(上面两个头文件可以用#include <unistd.h>代替)

#include <fcntl.h>

函数原型：

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

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

参数：

*char pathname：**代表文件的目录；

flags: O_RDONLY 只读 O_WRONLY 只写 O_RDWR 可读可写

O_APPEND 追加 O_CREAT 创建新文件 O_EXCL 判断文件是否存在 O_TRUNC 将文件阶段为0，清空 O_NONBLOCK 非阻塞

头文件位于 #include <fcntl.h>中

创建文件时，指定文件访问权限。权限同时受到umask影响。结论为(umask默认创建文件权限的反码)：

文件权限=mode&~umask

返回值：返回一个int,文件描述符，返回-1代表操作失败

#include <errno.h> errno 操作系统的全局变量？？？

#include <string.h> char* strerror(int errnum) 打印错误的具体信息

mode:

使用的前提是，参数2指定了O_CREAT。参数3取值取8进制数，用来描述文件的访问权限，rwx， 0664

最终创建得到的文件权限=mode&(~umask)

open函数常见错误：

1）打开文件不存在；

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

daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ ./open
fd=-1
errno=2
No such file or directory

2）以写方式打开只读文件（没有对应的权限）；

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char** argv)
{int fd;fd=open("./m6.txt",O_WRONLY);printf("fd=%d\n",fd);printf("errno=%d\n",errno);printf("%s\n",strerror(errno));close(fd);return 0;
}

#修改m6.txt文件的属性为只读
daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ chmod 0444 m6.txt
daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ ls
dict.CP  dict.txt  m6.txt  open  open.c
daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ ls -l
总用量 24
-rw-r--r-- 1 daniel daniel     0 5月  10 04:24 dict.CP
-rw-rw-r-- 1 daniel daniel     0 5月  10 04:14 dict.txt
-r--r--r-- 1 daniel daniel     0 5月  10 05:39 m6.txt
-rwxrwxr-x 1 daniel daniel 16928 5月  10 04:44 open
-rw-rw-r-- 1 daniel daniel   302 5月  10 05:38 open.c
daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ gcc open.c -o open2
daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ ./open2
fd=-1
errno=13
Permission denied

3）以只写方式打开目录（open只能打开普通文件）；

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char** argv)
{int fd;fd=open("./m5",O_WRONLY);printf("fd=%d\n",fd);printf("errno=%d\n",errno);printf("%s\n",strerror(errno));close(fd);return 0;
}

#m5是一个目录文件
daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ mkdir m5
daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ gcc open.c -o open2
daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ ./open2
fd=-1
errno=21
Is a directory

close函数原型：

int close(int fd)

功能：关闭文件描述符

参数：

fd 调用open函数得到的文件描述符；

返回值：

0代表成功 -1代表失败

错误处理函数：

与errno相关。

//打印错误的编号
printf("errno=%d\n",errno);
//打印错误的具体内容
printf("xxx error:%s\n",strerror(int errno));

void perror(const char *)

是errno和strerror的结合；头文件为#include<stdio.h>

2 read/write文件读写操作

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

头文件：#include <unistd.h>

参数：fd 文件描述符 buf 缓冲区指针 count 需要读入的字节数

功能：从fd的文件描述符中读取指定count大小的字节，并且写入缓冲区，buf指针当中；当函数返回0，代表读到了文件结尾，当函数返回-1，代表发生错误；当count=0，或者提示错误，或者返回值为0；

返回值：成功，返回读入的字节数，错误，返回-1；0代表读到文件结尾；

当返回-1，且erron=EAGIN/EVOULDBLOCK时，说明不是read失败，而是以非阻塞的形式读取设备文件，而且设备没有输入

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

头文件：#include <unistd.h>

参数：fd 文件描述符 buf 待写出数据的缓冲区 count 数据大小

返回值：成功，返回写入的字节数，错误，返回-1；0代表没有数据可写了

通过调用系统函数read()和write()实现shell里面的cp命令：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
//#include <stdio.h>
//从命令行接收参数，并且初始化堆栈
int main(int argc, char *argv[])
{//创建一个1024字节的缓冲区char buf[1024];//用于接收读取字符的数量int n=0;//以只读的方式打开传入参数的第一个文件int fd1=open(argv[1],O_RDONLY);//以读写方式打开第二个文件，如果没有，需要创建，如果有，需要截断为0int fd2=open(argv[2],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0664);//持续读取字符，直到返回值  n=0 标志读到文件尾部为止while((n=read(fd1,buf,1024))!=0){//将读入的字符写入文件write(fd2,buf,n);}//关闭文件描述符close(fd1);close(fd2);return 0;
}

3 系统调用和库函数的比较-缓冲区相关

使用系统调用函数，实现每次拷贝1个字符到另外的文件和使用库函数fputc//从表面看也是每次拷贝一个字符到另外的文件。比较两者的运行速度。

使用库函数实现的代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char** argv)
{FILE *fp, *fp_out;int n;fp=fopen(argv[1],"r");if(fp==NULL){perror("fopen error");exit(1);}fp_out=fopen(argv[2],"w");if(fp==NULL){perror("fopen error");exit(1);}while((n=fgetc(fp))!=EOF){fputc(n,fp_out);}fclose(fp);fclose(fp_out);return 0;
}

使用系统调用函数实现的方法如下：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define N 1
//从命令行接收参数，并且初始化堆栈
int main(int argc, char *argv[])
{//创建一个1024字节的缓冲区char buf[N];//用于接收读取字符的数量int n=0;//以只读的方式打开传入参数的第一个文件int fd1=open(argv[1],O_RDONLY);if (fd1==-1){perror("open argv1 error");exit(1);}//以读写方式打开第二个文件，如果没有，需要创建，如果有，需要截断为0 int fd2=open(argv[2],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0664);if (fd2==-1){perror("open argv2 error");exit(1);}//持续读取字符，直到返回值  n=0 标志读到文件尾部为止while((n=read(fd1,buf,N))!=0){//将读入的字符写入文件write(fd2,buf,n);}//关闭文件描述符close(fd1);close(fd2);return 0;
}

最后经过比较发现，方法2的耗时比方法1耗时长的多。

原因，使用strace指令可以查看程序运行时使用的系统调用

daniel@daniel-Vostro-5471:~/文档/OS/test/IO_test$ strace ./myCP2.out xajh.txt 1.txt

read(3, "\215\212\344\270\252\345\270\210\347\210\266\357\274\214\345\216\237\350\257\245\345\216\273\350\260\242\347\232\204\343\200\202"..., 4096) = 4096
write(4, " \r\n\n    \350\277\231\346\227\266\344\273\244\347\213\220\345\206\262\345\267\262\345\260\206\346\201\222"..., 4096) = 4096
read(3, "\350\265\260\345\207\272\345\261\213\345\216\273\343\200\202 \r\n\n    \347\233\210\347\233\210\345\276\252"..., 4096) = 4096
write(4, "\215\212\344\270\252\345\270\210\347\210\266\357\274\214\345\216\237\350\257\245\345\216\273\350\260\242\347\232\204\343\200\202"..., 4096) = 4096

经过查看得知，使用库函数C程序，底层也是调用了系统调用的read()和write()函数，但是每次操作的字节数是4096个字节；也就是说虽然fputc表面每次只写入1个字节，但每4096个字节调用1次读或者写函数。

而使用同样的命令查看系统调用C函数用到的系统调用，发现每次调用系统函数只读入或者写入一个字节；这便导致了运行速度的差异；

read(3, "\243", 1)                      = 1
write(4, "\243", 1)                     = 1
read(3, "\350", 1)                      = 1
write(4, "\350", 1)                     = 1
read(3, "\243", 1)                      = 1
write(4, "\243", 1)                     = 1
read(3, "\263", 1)                      = 1
write(4, "\263", 1)                     = 1

fopen>>>>>>4096字节>>>>>>4096字节>>>>>>4096字节>>>>>>>BINGO!

用户区标准库函数内核区缓冲区硬件（硬盘区）

open>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>1字节>>>>>>>>4096字节>>>>>>>BINGO!

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-mAecj6Wk-1642598841072)(/home/daniel/.config/Typora/typora-user-images/image-20210512224341331.png)]

使用库函数，将每次读写字节的缓冲区定义为1字节时，使得用户区和内核区交互过于频繁，而这个过程时相当耗时的。如果将read()和write()函数的字节数，修改回4096，两个程序的运行时间，应该是使用系统调用更快。

read和write函数被称为 Unbuffered I/O，指的是无用户缓冲区，但是不保证不使用内核缓冲区

预读入，缓输出机制

即使学了系统调用，能使用库函数的时候，还是尽量使用库函数。

因为库函数久经考验，效率相对较高，而对于系统调用来说，如果对于原理不深刻了解，可能会出现效率低下问题。

4 文件描述符

PCB 进程控制块本质是一个结构体 与之相对的是TCB 线程控制块

struct task_struct{ 结构体成员 } 其中有个文件描述符表

成员中有一个指针，指针指向一个文件描述符表

文件描述符表，实际上是一个key-value表，键值对表，key是一个正整数，也就是我们见到的文件描述符，而value是一个指针，指向一个文件结构体，内部含有文件的各种信息；

主要包含文件描述符，文件读写位置和IO缓冲区3部分内容

struct file {

…

文件偏移量

文件访问权限

文件的打开标志

文件内核缓冲区的首地址

struct operations *f_op;

} 结构体中包含文件的描述信息；

查看方法：

(1)/usr/src/linux-headers-3.16.0-30/include/linux/fs.h

0 STDIN_FILENO 标准输入

1 STDOUT_FILENO 标准输出

2 STDERR_FILENO 标准错误

…

1023 …

单个进程最多打开1024个文件，其中0，1，2已经被标准输入，标准输出和标准错误所占用，只能使用剩余编号的最小值。

文件描述符相当于句柄。我们在程序中通过文件描述符，对对应的文件进行操作。

使用 ulimit -a 查看

5 阻塞和非阻塞

阻塞/非阻塞：

产生阻塞的场景：读设备文件和读网络文件（读常规文件没有阻塞概念）

/dev/tty --终端文件

读常规的文件是不会产生堵塞的，无论读多少字节，read一定会在有限的时间内返回。

1个产生堵塞的示例：

//block.c>>>>block.out
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char **argv)
{int fd1;char* buf[20];int n=20;//从标准输入中读入n个字符，键盘的输入储存在标准输入中//即标准输入是一个由外部设备给定的输入read(STDIN_FILENO,buf,n);//将读到的字符写入标准输出中，标准输出是终端显示write(STDOUT_FILENO,buf,n);return 0;
}

执行程序之后，终端会一直等待用户输入字符，这便是一种阻塞。

当read函数，当返回-1，且erron=EAGIN/EVOULDBLOCK时，说明不是read失败，而是以非阻塞的形式读取设备文件，而且设备没有输入

阻塞和非阻塞不是read和write函数的特性，而是设备文件或者网络文件的属性；

//block2.c
//以非阻塞形式打开设备文件
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char **argv)
{int fd;char buf[10];int n;//以只读和非阻塞方式打开设备输入文件//原来设备文件是阻塞性质的，现在修改为非阻塞性质的fd = open("/dev/tty", O_RDONLY | O_NONBLOCK);if (fd < 0){perror("open /dev/tty");exit(1);}while (1){n = read(fd, buf, 10);if (n < 0){if (errno != EAGAIN){perror("read /dev/tty");exit(1);}//n=-1,errno=EAGAIN，以非阻塞形式读数据，但是设备没有输入//每隔2s重新读取一次数据else{write(STDOUT_FILENO, "try agin\n", strlen("try again\n"));sleep(2);continue;}}else{//读取数据成功，将数据写到终端，关闭文件描述符write(STDOUT_FILENO, buf, n);close(fd);break;}}    return 0;
}

**阻塞：**调用结果返回值，当前程序被挂起，直到结果返回；

**非阻塞：**如果不能立即得到结果，则调用者不会阻塞当前线程；所以非阻塞的状态下，需要不断进行轮询；

6 fcntl改文件属性

函数：int fcntl(int fd, int cmd, …)

文件操作杂货铺，有诸多功能

int flags=fcntl(fd,F_GETFL);

获取文件状态：F_GETFL

设置文件状态：F_SETFL

位图：是一串二进制数，使用0或者1代表某个功能是否打开

和stm32 的pin脚定义类似

将标准输入的属性修改成非阻塞状态的代码如下：

int flags=fcntl(STDIN_FILENO,F_GETFL);
flags|=O_NONBLOCK;
fcntl(STDIN_FILENO,F_GETFL,flags)

头文件：#include <unistd> #include <fcntl.h>

功能：用于改变文件的状态

参数：fd是对应的文件描述符，cmd是对应的指令，…是可选项，是由cmd决定的参数，通常情况下是整数；

F_GETFD (void)Return  (as  the function result) the file descriptor flags; arg is ignored.
F_SETFD (int)Set the file descriptor flags to the value specified by arg.