Linux系统学习笔记：文件I/O

Posted 2020-06-18 要知道，春天的道路依然充满泥泞！

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux系统学习笔记：文件I/O相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Linux支持C语言中的标准I/O函数，同时它还提供了一套SUS标准的I/O库函数。和标准I/O不同，UNIX的I/O函数是不带缓冲的，即每个读写都调用内核中的一个系统调用。本篇总结UNIX的I/O并和标准I/O进行对比。

文件描述符

内核通过文件描述符引用打开的文件，它是一个非负整数。按惯例，shell中使用0与进程的标准输入关联，1与标准输出关联，2与标准错误输出关联。依照POSIX，这些幻数应替换为符号常量 STDIN_FILENO 、 STDOUT_FILENO 、STDERR_FILENO 以提高可读性 ，定义在 <unistd.h> 中。

Linux中打开文件 /dev/fd/n 等价于复制描述符n，还有 /dev/stdin 、 /dev/stdout 、 /dev/steerr 分别等价于/dev/fd/0 、 /dev/fd/1 、 /dev/fd/2 。

fd = open("/dev/fd/0", mode); 大多数系统忽略这个函数调用所指定的mode，而另外的一些系统则要求mode必须是所引用的文件（这里是标准输入）初始打开时所使用的打开模式的一个子集。因为上面的打开等效于 fd = dup(0); ,所以描述符0和fd共享同一个文件表项。正是因为共享同一个文件表项，所以他们看到的文件状态标志（也就是打开模式）应该是一样的。

UNIX标准的I/O函数

UNIX标准的一组I/O函数主要包括 open 、 creat 、 close 、 lseek 、 read 、 write 。

使用 open 和 creat 打开文件

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

/* 打开或创建文件
 * @return      成功返回文件描述符，出错返回-1 */
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
/* 创建文件
 * @return      成功返回为只写打开的文件描述符，出错返回-1 */
int creat(const char *pathname, mode_t mode);

参数说明：

pathname

要打开或创建的文件的名字。

flags

函数选项，包括：

O_RDONLY ，只读打开。
O_WRONLY ，只写打开。
O_RDWR ，读写打开。

以上三个选项必须有且只有一个。可选的选项还有：

O_APPEND ，每次写都追加在文件尾。
O_CREAT ，文件不存在时创建文件，需设置 mode 参数。
O_EXCL ，和 O_CREAT 同用，文件已存在则出错，文件不存在则创建文件，使测试和创建成为一个原子操作。
O_TRUNC ，文件存在且为写打开时，长度截短为0。
O_NOCTTY ，对于终端设备，不将该设备分配为此进程的控制终端。
O_NONBLOCK ，对于FIFO、块特殊文件、字符特殊文件，设为非阻塞模式。

还有三个同步相关的选项：

O_SYNC ， write 等待物理I/O操作完成，包括文件属性的更新。
O_DSYNC ， write 等待物理I/O操作完成，若写不影响读取（如文件大小没变化），不等待文件属性的更新。
O_RSYNC ， O_SYNC 的同义词。

open 返回的文件描述符一定为最小可用描述符，有时用这一特性来在标准输入/输出/错误输出上打开文件。

creat 是一个历史遗留函数，用于以前没有 O_CREAT 选项的情况，它等价于：

open(pathname, O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, mode);

使用 close 关闭文件

#include <unistd.h>

/* 关闭打开的文件
 * @return      成功返回0，出错返回-1 */
int close(int fd);

关闭文件时会释放该进程加在文件上的所有记录锁。进程终止时，内核会自动关闭它打开的文件。

打开的文件有一个相关联的当前文件偏移量，通常为非负整数，表示从文件开始的字节数。读/写操作从当前文件偏移量处开始，使偏移量增加读写的字节数。默认打开文件偏移量为0，以 O_APPEND 打开偏移量为文件的字节数。可以用lseek 设置文件的偏移量。

lseek 获取或设置文件的偏移量

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

/* 设置文件的偏移量，设为whence指定的位置加offset
 * @return      成功返回新的文件偏移量，出错返回-1 */
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

参数说明：

offset

要增加的偏移量。

whence

SEEK_SET ，相对文件开始处。
SEEK_CUR ，相对文件当前位置。
SEEK_END ，相对文件结尾处。

lseek 并不引起I/O操作，偏移量记录在内核中。

普通文件的偏移量必须是非负整数。偏移量可以大于文件的长度，这样之后的写会形成一个空洞，空洞不占存储，其中的字节被读为0。可以写一个这样的文件，用 od -c 命令验证一下，还可用 ls -ls 命令查看磁盘块占用情况。

用 read 函数读取文件的数据

#include <unistd.h>

/* 从打开的文件读数据，从当前偏移量开始，并将偏移量增加实际读取字节数
 * @return      成功返回读到的字节数，已到文件尾返回0，出错返回-1 */
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

受文件大小、网络缓冲区、管道、FIFO的实际字节数的限制，实际读到的数据可能少于要读的字节数，信号中断也会造成这种情况。终端设备通常一次最多读一行，磁带等设备一次最多读一个记录。

用 write 函数向文件写入数据

#include <unistd.h>

/* 向打开的文件写数据，从当前偏移量开始，并将偏移量增加实际写入字节数
 * @return      成功返回写入的字节数，出错返回-1 */
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

对于普通文件，写操作从文件的当前偏移量开始。如果在打开文件时，指定了O_APPEND选项，则在每次写操作之前，将文件的偏移量设置在文件的当前结尾处。

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "error.h"

#define BUFFSIZE    4096

int main(void)
{
    int     n;
    char    buf[BUFFSIZE];

    while ((n = read(STDIN_FILENO, buf, BUFFSIZE)) > 0)
        if (write(STDOUT_FILENO, buf, n) != n)
            err_sys("write error");
    if (n < 0)
        err_sys("read error");
    exit(0);
}

注意linux上不同缓冲区长度对读操作的时间的影响。