系统IO和标准C库IO函数 ——Linux编程
一、C库IO函数工作流程示意图：
FILE 类型的指针，是特殊结构体类型，包含文件描述符、读写指针位置、内存地址等信息，用于文件读写操作。
I/O缓冲区用于利用内存减少硬盘操作。在右侧三种情况下刷新缓冲区，存到硬盘上。
磁盘为什么这么慢？
大部分硬盘是机械硬盘，读取寻道时间和写入寻道时间都是在毫秒级(ms)、相对于内存来说读写速度都非常快，因为内存术语电子设备，读写速度都是纳秒(ns)级别的。
1s=1000ms
1s=1000,1000us
1s=1000,000,000ns
二、PCB和文件描述符
每一个新的文件打开，则会占用一个文件描述符（整数），而且使用的空间是空闲的最小的一个文件描述符。
前三个文件描述符默认打开。
三、虚拟地址空间
程序启动后，在磁盘上分配4G空间供进程使用，最多4G，用多少分多少。
0-3G在用户区，程序员可操作；3-4G为内核区，程序员不可操作。受保护的地址（0-4K）也不许用户访问，如NULL在此区域。程序从main函数开始执行，即从代码段执行，然后根据代码中变量类型等将元素分配到各个空间中。
查看文件类型，file命令：
注：程序启动后，从硬盘上分配 4G 空间可供选择。但并不会少4G空间。实际上，你用了多少空间，硬盘就会少多少空间。
四、库函数与系统函数的关系
五、Linux系统IO函数
1、open函数
man 2 open
函数原型：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
参数：
falgs 设置：
O_RDONLY 以只读方式打开文件
O_WRONLY 以只写的方式打开文件
O_RDWR 以读写的方式打开
O_CREAT 如果文件不存在则创建文件
O_EXCL 如果文件存在，则强制 open() 操作失败
O_TRUNC 如果文件存在，将文件清零
O_APPEND 把文件添加内容的指针设到文件的结束处
mode 设置：
文件权限 = 给定对的文件权限 & 本地掩码（取反）
例如：
设定权限 0777
umask 出来的本地掩码是 0002
777 ----------------------------二进制 111 111 111
002 ----------------------------二进制 00 000 010 取反后得 111 111 101
& （按位与）
实际权限 111 111 101
即实际权限为 0775
返回值：
若成功返回文件描述符；若出错，返回-1
2、read函数
函数原型：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
返回值：
读到的字节数，若已到达文件结尾，返回 0 ；若出错 返回 -1 。
3、write函数
函数原型：
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
返回值：
若成功，返回已写的字节数；若出错 返回 -1 ；读完了，返回0。
open,read,write 函数的运用：从一个文件汇总读取内容后，写入另一个文件中
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main(void)
{
int fd = 0;
int fd_write = 0;
int size = 0;
char buf[1024] = "";
fd = open("./open.c",O_RDONLY);
if( fd == -1 )
{
perror("open file:");
exit(1);
}
// 创建一个新的文件，不存在则创建，权限777，截断文件
fd_write = open("stdio1.h",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0777);
if( fd_write == -1 )
{
perror("open file:");
exit(1);
}
// 读文件
size = read(fd,buf,sizeof(buf));
if(size == -1 )
{
perror("read file:");
exit(1);
}
while( size )
{
// 读文件
size = read(fd,buf,sizeof(buf));
printf("buf = %s\n",buf);
// 创建文件
// 写文件
write(fd_write,buf,strlen(buf));
// 清空缓冲区
memset(buf,0,sizeof(buf));
}
close(fd);
close(fd_write);
return 0;
}
4、lseek函数
函数原型：
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
作用： 设置文件偏移量。
若文件的偏移量大于当前文件的长度，在这种情况下，对该文件的下一次写将加长该文件，并在文件中构成一个空洞。位于文件中没有写过的字节都被 读为0.、
文件中的空洞并不要求在磁盘上占用存储区。
参数：
whence的取值：
SEEK_SET 文件的便宜位置设置为距开始位置 offset 个字节
SEEK_CUR 文件的便宜位置设置为当前值 + offset ，offset 的值可正可负
SEEK_END 文件的便宜位置设置为文件长度 +offset ，offset 的值只能W为正的，只能向后拓展不能向向拓展
返回值：
若成功返回文件描述符；若出错，返回-1
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main(void)
{
int fd = open("./bb.txt",O_RDWR);
if( fd == -1)
{
perror("open bb.txt:");
exit(1);
}
int ret = lseek(fd,0,SEEK_END);
printf("file length = %d\n",ret);
// 文件扩展
ret = lseek(fd,2000,SEEK_END);
printf("return value = %d\n",ret);
// 实现文件拓展，需要最后一次写操作
write(fd,"a",1);
close(fd);
return 0;
}
5.获取文件属性—stat、lstat、fstat
5.1、函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int stat(const char *path, struct stat *buf);
int fstat(int fd, struct stat *buf);
int lstat(const char *path, struct stat *buf);
5.2、参数
1、path ：文件名或者目录名
2、fd ： 文件描述符
3、 struct stat {
dev_t st_dev; /* ID of device containing file */ // 文件的设备编号
ino_t st_ino; /* inode number */ // 结点
mode_t st_mode; /* protection */ // 文件的类型和存取的权限
nlink_t st_nlink; /* number of hard links */ // 连到该文件的硬链接数目，新建的文件则硬连接数为 1
uid_t st_uid; /* user ID of owner */ // 用户ID
gid_t st_gid; /* group ID of owner */ // 组ID
dev_t st_rdev; /* device ID (if special file) */ // 若此文件为设备文件，则为其设备的编号
off_t st_size; /* total size, in bytes */ // 文件字节数(文件大小)
blksize_t st_blksize; /* blocksize for filesystem I/O */ // 块大小
blkcnt_t st_blocks; /* number of 512B blocks allocated */ // 块数
time_t st_atime; /* time of last access */ // 最后一次访问时间
time_t st_mtime; /* time of last modification */ // 最后一次修改时间
time_t st_ctime; /* time of last status change */ // 最后一次改变时间
};
st_mode ：该变量占 2 byte，共16位
(1)、掩码的使用： st_mode & 掩码
(2)、其他*限( 0-2 bit )
(a)、S_IROTH 00004 读权限
(b)、S_IWOTH 00002 写权限 掩码：S_IRWXO 00007
(c)、S_IXOTH 00001 执行权限
(3)、所属组权限（3-5bit）
(a)、S_IRWXG 00070 读权限
(b)、S_IRGRP 00040 写权限 掩码：S_RWXG 00070
(c)、S_IXGRP 00010 执行权限
(4)、文件所有者权限（6-8bit）
(a)、S_IRUSR 00400 读权限
(b)、S_IWUSR 00200 写权限 掩码：S_IRWXU 00700
(c)、S_IXUSR 00100 执行权限
(5)、文件特权位（9-11bit）
(a)、 S_ISUID 0004000 设置用户ID
(b)、 S_ISGID 0002000 设置组ID 文件特权位很少用
(c)、 S_ISVTX 0001000 设置黏住位
(6)、文件类型（12-15bit）
(a) 、S_IFSOCK 0140000 socket（套接字）
(b) 、S_IFLNK 0120000 symbolic link（符号链接--软连接）
(c) 、S_IFREG 0100000 regular file（普通文件）
(d)、 S_IFBLK 0060000 block device（块设备） 掩码：S_IFMT 017000
(e) 、S_IFDIR 0040000 directory（目录）
(f) 、 S_IFCHR 0020000 character device（字符设备）
(g)、 S_IFIFO 0010000 FIFO（管道）
5.3、返回值
以上三个获取文件属性的函数 若成功，返回0；若失败，返回 -1；
5.4、stat、lstat、fstat之间的区别
1、fstat 函数：系统调用的是一个 ”文件描述符”，而另外两个则直接接收“文件路径”。文件描述符是我们用 open 系统调用后得到的，而文件全路径直接写就可以了。
2、stat 函数与 lstat 函数的区别： 当一个文件是符号链接时，lstat 函数返回的是该符号链接本身的信息；而 stat 函数返回的是该链接指向文件的信息。
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
if( argc<2 )
{
perror("a.out ");
exit(1);
}
struct stat st;
int ret = lstat(argv[1],&st);
if( ret == -1)
{
perror("lstat");
exit(1);
}
int size = st.st_size;
printf("file size = %d\n",size);
return 0;
}
5.5 使用 stat() 函数实现一个简单的 ls -l Shell 命令：
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<pwd.h> // 所有者信息
#include<grp.h> // 所属组信息
#include<time.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
if( argc<2 )
{
perror("./a.out filename\n");
exit(1);
}
struct stat st;
int i;
for( i = 1; i<argc; i++)
{
int ret = stat(argv[i],&st); // 获取文件或者目录的所有信息存储于 st 结构体中
if( ret == -1 )
{
perror("stat");
exit(1);
}
// 存储文件类型和访问权限
char perms[11] = {0};
// 判断文件类型
switch( st.st_mode & S_IFMT )
{
case S_IFSOCK: // 套接字文件
perms[0] = 's';
break;
case S_IFLNK: // 软连接文件
perms[0] = 'l';
break;
case S_IFREG: // 普通文件
perms[0] = '-';
break;
case S_IFBLK: // 块设备文件
perms[0] = 'b';
break;
case S_IFDIR: // 目录文件
perms[0] = 'd';
break;
case S_IFCHR: // 字符设备文件
perms[0] = 'c';
break;
case S_IFIFO: // 管道文件
perms[0] = 'p';
break;
default:
break;
}
// 判断文件的访问权限
// 文件的所有者
perms[1] = (st.st_mode & S_IRUSR) ? 'r':'-';
perms[2] = (st.st_mode & S_IWUSR) ? 'w':'-';
perms[3] = (st.st_mode & S_IXUSR) ? 'x':'-';
// 文件的所属组
perms[4] = (st.st_mode & S_IRGRP) ? 'r':'-';
perms[5] = (st.st_mode & S_IWGRP) ? 'w':'-';
perms[6] = (st.st_mode & S_IXGRP) ? 'x':'-';
// 文件的其他用户
perms[7] = (st.st_mode & S_IROTH) ? 'r':'-';
perms[8] = (st.st_mode & S_IWOTH) ? 'w':'-';
perms[9] = (st.st_mode & S_IXOTH) ? 'x':'-';
// 硬链接计数
int nums = st.st_nlink;
// 文件所有者
char *fileuser = getpwuid(st.st_uid)->pw_name;
// 文件所属组
char *filegroup = getgrgid(st.st_gid)->gr_name;
// 文件大小
int size = (int)st.st_size;
// 文件修改时间
char *time = ctime(&st.st_mtime);
char mtime[512]="";
strncpy(mtime,time,strlen(time)-1);
// 保存输出信息格式
char buf[1024]={0};
// 把对应信息按格式输出到 buf 中
sprintf(buf,"%s %d %s %s %d %s %s",perms,nums,fileuser,filegroup,size,mtime,argv[i]);
// 打印 buf
printf("%s\n",buf);
// drwxrwxr-x 3 arrayli arrayli 4096 11月 13 23:19 day05
// -rw-r--r-- 1 arrayli arrayli 8980 11月 7 22:05 examples.desktop
}
return 0;
}
实用函数，字符串转整数。
6 目录操作
6.1 chdir 函数
1、作用：修改当前进程的路径
2、函数原型：
#include <unistd.h>
int chdir(const char *path);
6.2 getcwd 函数
1、作用：获取当前进程工作目录
2、函数原型：
#include <unistd.h>
char *getcwd(char *buf, size_t size);
char *getwd(char *buf);
chdir 函数和 getcwd 函数的运用：
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main(int argc, char *argv[] )
{
if( argc<2 )
{
perror("./a.out filepath");
exit(1);
}
printf(" agrv[1] = %s\n",argv[1]);
// 修改当前的路径
int ret =chdir(argv[1]);
if( ret == -1 )
{
perror("chdir");
exit(1);
}
// 在这里通过在改变后的目录下创建一个新的文件，来证明目录已经改变
int fd = open("chdir.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
if( fd == -1 )
{
perror("open");
exit(1);
}
close(fd);
// 获取改变目录后的目录名
char buf[100]={0};
getcwd(buf,sizeof(buf));
printf("current dir: %s\n",buf);
return 0;
}
6.3 rmdir 函数
1、作用：删除一个目录
2、函数原型：
#include <unistd.h>
int rmdir(const char *pathname);
6.4 mkdir 函数
1、作用：创建一个目录
2、函数原型：
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
int mkdir(const char *pathname, mode_t mode);
6.5 opendir 函数
1、作用：打开一个目录
2、函数原型
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
DIR *opendir(const char *name);
DIR *fdopendir(int fd);
6.6 readdir 函数
1、作用：读目录
2、函数原型：
#include <dirent.h>
struct dirent *readdir(DIR *dirp);
3、返回值： 返回一个记录项
struct dirent {
ino_t d_ino; /* inode number */ // 目录进入点的 inode
off_t d_off; /* not an offset; see NOTES */ // 目录文件头开始至此目录进入点的位移
unsigned short d_reclen; /* length of this record */ // d_name 长度
unsigned char d_type; /* type of file; not supported // d_name 所指的文件夹
by all filesystem types */
char d_name[256]; /* filename */ // 文件名
};
d_tyep 有 8 种类型：
(1)、 DT_BLK This is a block device. 块设备
(2)、 DT_CHR This is a character device. 字符设备
(3)、 DT_DIR This is a directory. 目录
(4)、 DT_FIFO This is a named pipe (FIFO). 管道
(5)、 DT_LNK This is a symbolic link. 软链接
(6)、 DT_REG This is a regular file. 普通文件
(7)、 DT_SOCK This is a UNIX domain socket. 套接字
(8)、 DT_UNKNOWN The file type is unknown. 未知类型
6.7 closedir 函数
1、作用：关闭一个目录
2、函数原型：
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
int closedir(DIR *dirp);
3、返回值：
若函数执行成功，返回0；若失败，返回 -1.
#include<unistd.h>
#include<dirent.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
// 获取 root 目录下的文件个数
int get_file_count(char *root)
{
// open dir
DIR * dir = NULL;
dir = opendir(root);
if( NULL == dir )
{
perror("opendir");
exit(1);
}
// 遍历当前打开的目录
struct dirent* ptr = NULL;
char path[1024]={0};
int total = 0;
while( (ptr = readdir(dir) )!= NULL)
{
// 过滤掉 . 和 ..
if( strcmp(ptr->d_name,".") == 0 || strcmp(ptr->d_name,"..") == 0 )
{
continue;
}
// 如果是目录，递归读目录
if(ptr->d_type == DT_DIR)
{
sprintf(path,"%s/%s",root,ptr->d_name);
total += get_file_count(path);
}
// 如果是普通文件
if( ptr->d_type == DT_REG )
{
total++;
}
}
// 关闭目录
closedir(dir);
return total;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
if( argc<2 )
{
perror("./a.out dir\n");
exit(1);
}
// 获取文件个数
int count = get_file_count(argv[1]);
printf("%s has file numbers : %d\n",argv[1],count);
return 0;
}
6.8 dup 和 dup2 函数
1、作用：复制现有的文件描述符
2、函数原型：
#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);
3、返回值：
(1)、dup 返回的是文件描述符中没有被占用的
(2)、dup2 分两种情况讨论下：
(a)、oldfd----->newfd 如果 newfd 是一个被打开的文件描述符，在拷贝前会先关掉 newfd
(b)、oldfd------>newfd是同一个文件描述符，不会关掉 newfd , 直接返回 oldfd
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main(void)
{
int fd =open("a.txt",O_RDWR);
if( fd == -1 )
{
perror("open");
exit(1);
}
printf("file open fd = %d\n",fd);
// 找到进程文件描述符表 ======= 第一个========== 可用的文件描述符
// 将参数指定的文件复制到该描述后 返回这个描述符
int ret = dup(fd);
if( fd == -1 )
{
perror("dup");
exit(1);
}
printf(" dup fd = %d\n",ret);
char *buf = "你是猴子请来的救兵吗？？\n";
char *buf1 = "你大爷的，我是程序猿!!!\n";
write(fd,buf,strlen(buf));
write(ret,buf1,strlen(buf1));
close(fd);
return 0;
}
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main(void)
{
int fd =open("english.txt",O_RDWR);
if( fd == -1 )
{
perror("open");
exit(1);
}
int fd1 =open("a.txt",O_RDWR);
if( fd1 == -1 )
{
perror("open");
exit(1);
}
printf("fd = %d\n",fd);
printf("fd1 = %d\n",fd1);
int ret = dup2(fd1, fd);
if( ret == -1 )
{
perror("dup2");
exit(1);
}
printf(" current fd = %d\n",ret);
char *buf = "主要看气质 !!!!!!!!!!!!!!!!!\n";
write(fd,buf,strlen(buf));
write(fd1,"hello world!",12);
close(fd);
close(fd1);
return 0;
}
6.9 fcntl 函数
1、作用：改变已经打开文件的属性
2、函数原型：
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ ); 这是一个可变长参数的函数
3、功能：
(1)、复制一个现有的描述符--------cmd F_DUPFD
(2)、 获得 / 设置文件状态标价--------cmd( 参数设置如下 )
(a)、F_GETFD
(b)、F_STFD
(3)、获得 / 设置文件标记状态-------- cmd
(a)、
O_RDONLY 只读打开
O_WRONLY 只写打开
O_RDWR 读写打开
O_EXEC 执行打开
O_SEARCH 搜索打开
O_APPEND 追加打开
O_NONBLOCK 非阻塞模式
(b)、F_SETFL
O_APPEND
O_NONBLOCK
(4)、 获得 / 设置异步 I / O 所有权-------- cmd
(a)、F_GETOWN
(b)、F_SETOWN
(5)、获得 / 设置记录锁-------- cmd
(a)、F_GETLK
(b)、F_SETLK
(c)、SETLKW
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main(void)
{
int flag;
int fd;
// 测试字符串
char *p = "我们是一个由中国特使*的国家！！！！！";
char *q ="呵呵，*好哇";
// 以只写方式打开文件
fd = open("test.txt",O_WRONLY);
if( fd == -1 )
{
perror("open");
exit(1);
}
// 输入新的内容，该内容会覆盖原来的内容
if( write(fd,p,strlen(p)) == -1 )
{
perror("write");
exit(1);
}
// 使用 F_GETFL 命令得到文件状态标志
int flags = fcntl(fd,F_GETFL,0);
if( flags == -1 )
{
perror("fcntl");
exit(1);
}
// 将文件状态标志添加 “追加写” 选项
flag |= O_APPEND;
// 将文件状态修改为追加写
if( fcntl(fd,F_SETFL,flag) == -1 )
{
perror("fcntl");
exit(1);
}
// 再次输入新的内容，该内容会追加到旧内容对的后面
if( write(fd,q,strlen(q)) == -1 )
{
perror("write again");
exit(1);
}
return 0;
}
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