Linux系统程序设计--2. 文件I/O

devtools/2024/11/14 12:54:28/

文件I/O

标准C的I/O

FILE结构体

  • 下面只列出了5个成员
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  • 可以观察到，有些函数没有FILE类型的结构体指针例如printf主要是一些标准输出，因为其内部用到了stdin，stdout，stderr
  • 查找文件所在的位置:find \ -name stat.h
  • 查找头文件所在的位置。可以使用gcc
    #include <sys/stat.h>int main() {return 0;
}

    gcc -M test.c
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代码文件

  • src
    • .c的目标文件
  • bin
    • 编译链接生成的可执行文件
  • obj
    • 存放生成的.o`的目标文件
  • include
    • 存储头文件

缓冲

缓冲类型

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  1. 全缓冲（Fully Buffered）：
    • 数据被写入缓冲区，当缓冲区满或显式调用fflush时才写入目标。
    • 通常用于文件I/O，尤其是磁盘文件。
  2. 行缓冲（Line Buffered）：
    • 数据在遇到换行符时被写入目标。
    • 通常用于终端输入输出（如标准输入stdin和标准输出stdout）。
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main(void)
{printf("Hello Iotak\n");while(1){sleep(1);}return 0;
}

sleep函数不是标准C库的一部分，而是POSIX标准的一部分
在大多数Unix-like系统（如Linux和macOS）上，sleep函数定义在unistd.h头文件中。
在Windows上，你可以使用Sleep函数（注意首字母大写），它定义在windows.h头文件中。

  1. 无缓冲（Unbuffered）：
    • 每次I/O操作直接与目标交互，没有中间缓冲区。
    • 通常用于标准错误stderr。
常见的I/O函数及其缓冲特性
  1. 标准输入/输出函数：
    • printf、puts、putchar：默认行缓冲（对于终端），全缓冲（对于文件）。
    • scanf、getchar、gets：默认行缓冲（对于终端），全缓冲（对于文件）。
  2. 文件操作函数：
    • fprintf、fputs、fputc：默认全缓冲。
    • fscanf、fgetc、fgets：默认全缓冲。
    • fread、fwrite：默认全缓冲。
    • fclose、fflush：显式刷新缓冲区。
    • setbuf、setvbuf：允许手动设置缓冲方式和缓冲区大小。
特殊情况
  • 标准错误stderr
    • stderr默认是无缓冲的，这样可以确保错误信息立即显示，不会因为缓冲而延迟。
    • 使用setvbuf可以改变stderr的缓冲方式。
示例
默认缓冲行为
#include <stdio.h>int main() {printf("This is a test.\n"); // 行缓冲，遇到换行符会刷新fprintf(stderr, "This is an error message.\n"); // 无缓冲，立即显示return 0;
}
手动设置缓冲方式
#include <stdio.h>int main() {char buffer[1024];setvbuf(stdout, buffer, _IOFBF, sizeof(buffer)); // 设置stdout为全缓冲printf("This is a test."); // 不会立即显示，因为没有换行符fflush(stdout); // 显式刷新缓冲区return 0;
}
总结
  • 标准输入/输出：通常行缓冲（对于终端）或全缓冲（对于文件）。
  • 标准错误：默认无缓冲。
  • 文件操作：默认全缓冲。
  • 手动控制：可以使用setbuf和setvbuf函数手动设置缓冲方式和缓冲区大小。

标准输入/输出函数

1. int printf(const char *format, ...);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：将格式化的数据写入到标准输出（通常是屏幕）。

  • 参数：

    • const char *format：格式控制字符串。
    • ...：可变参数列表，根据格式字符串中的占位符提供相应的值。

  • 返回值：成功时返回打印的字符数；失败时返回一个负值。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {printf("Hello, World!\n");return 0;
}
2. int scanf(const char *format, ...);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：从标准输入读取格式化输入。

  • 参数：

    • const char *format：格式控制字符串。
    • ...：可变参数列表，通常是指向变量的指针，用于存储读取的值。

  • 返回值：成功时返回成功读取并赋值的数据项数量；到达文件结束或遇到错误时返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {int num;printf("Enter an integer: ");scanf("%d", &num);printf("You entered: %d\n", num);return 0;
}
3. int puts(const char *s);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：将字符串写入标准输出，自动添加换行符。

  • 参数：

    • const char *s：要写入的字符串。

  • 返回值：成功时返回非负值；如果发生错误，则返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {puts("Hello, World!");return 0;
}
4. char *gets(char *s);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：从标准输入读取一行字符串（不推荐使用，存在缓冲区溢出风险）。

  • 参数：

    • char *s：指向存储读取字符串的缓冲区的指针。

  • 返回值：成功时返回指向字符串的指针；如果到达文件末尾或发生错误，则返回NULL。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {char buffer[100];printf("Enter a line: ");gets(buffer); // 不推荐使用printf("You entered: %s\n", buffer);return 0;
}
5. int getchar(void);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：从标准输入读取下一个可用字符。

  • 参数：无。

  • 返回值：成功时返回读取的字符；如果到达文件结束或发生错误，则返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {int ch;printf("Press any key and then press enter: ");ch = getchar();printf("You pressed: %c\n", ch);return 0;
}
6. int putchar(int c);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：将指定的字符写入到标准输出。

  • 参数：

    • int c：要写入的字符。

  • 返回值：成功时返回写入的字符；如果发生错误，则返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {putchar('A');return 0;
}

文件操作函数

7. FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：打开或创建一个文件，并返回一个指向该文件的FILE类型指针。

  • 参数：

    • const char *path：文件路径。
    • const char *mode：打开模式（如"r"表示只读，"w"表示写入等）。

  • 返回值：成功时返回指向文件的指针；如果打开失败，则返回NULL。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}fclose(file);return 0;
}
8. int fclose(FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：关闭一个已打开的文件流。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：成功时返回0；如果发生错误，则返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}fclose(file);return 0;
}
9. int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：将格式化的数据写入指定的流。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。
    • const char *format：格式控制字符串。
    • ...：可变参数列表，根据格式字符串中的占位符提供相应的值。

  • 返回值：成功时返回打印的字符数；失败时返回一个负值。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("test.txt", "w");if (file == NULL) {printf("Error opening file.\n");return 1;}fprintf(file, "This is a test.\n");fclose(file);return 0;
}
10. int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：从指定的流读取格式化输入。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。
    • const char *format：格式控制字符串。
    • ...：可变参数列表，通常是指向变量的指针，用于存储读取的值。

  • 返回值：成功时返回成功读取并赋值的数据项数量；到达文件结束或遇到错误时返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("test.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Error opening file.\n");return 1;}char str[100];fscanf(file, "%s", str);printf("Read from file: %s\n", str);fclose(file);return 0;
}
11. char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：从流中读取一行（直到换行符或达到指定长度减一）。

  • 参数：

    • char *str：指向存储读取字符串的缓冲区的指针。
    • int n：要读取的最大字符数（包括终止的空字符）。
    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：成功时返回指向字符串的指针；如果到达文件末尾或发生错误，则返回NULL。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {char buffer[100];FILE *file = fopen("example.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}fgets(buffer, sizeof(buffer), file);printf("Read from file: %s", buffer);fclose(file);return 0;
}
12. int fputs(const char *str, FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：向指定的流写入一个字符串（不包括终止的空字符）。

  • 参数：

    • const char *str：要写入的字符串。
    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：成功时返回非负值；如果发生错误则返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("test.txt", "w");if (file == NULL) {printf("Error opening file.\n");return 1;}const char *message = "This is a message.";fputs(message, file);fclose(file);return 0;
}
13. int fgetc(FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：从指定的流中读取下一个字符。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：成功时返回读取的字符；如果到达文件结束或发生错误，则返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(file)) != EOF) {putchar(ch);}fclose(file);return 0;
}
14. int fputc(int c, FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：将指定的字符写入到指定的流。

  • 参数：

    • int c：要写入的字符。
    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：成功时返回写入的字符；如果发生错误，则返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "w");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}fputc('A', file);fclose(file);return 0;
}
15. int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：设置文件流的位置指针。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。
    • long offset：相对于whence的偏移量。
    • int whence：位置基准点（如SEEK_SET表示文件开头，SEEK_CUR表示当前位置，SEEK_END表示文件结尾）。

  • 返回值：成功时返回0；如果发生错误，则返回非零值。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "r+");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}fseek(file, 5, SEEK_SET); // 移动到文件开头后的第5个字节fclose(file);return 0;
}
16. long ftell(FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：获取文件流的当前读写位置。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：成功时返回当前的位置（以字节为单位）；如果发生错误，则返回-1L。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}fseek(file, 5, SEEK_SET); // 移动到文件开头后的第5个字节long pos = ftell(file);printf("Current position: %ld\n", pos);fclose(file);return 0;
}
17. void rewind(FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：将文件流的位置指针重置到文件开头。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：无。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}fseek(file, 5, SEEK_SET); // 移动到文件开头后的第5个字节rewind(file); // 重置到文件开头fclose(file);return 0;
}
18. int feof(FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：检测文件流是否到达文件结束。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：如果文件流到达文件结束，则返回非零值；否则返回0。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(file)) != EOF) {putchar(ch);}if (feof(file)) {printf("End of file reached.\n");}fclose(file);return 0;
}
19. int ferror(FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：检测文件流是否发生错误。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：如果文件流发生错误，则返回非零值；否则返回0。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("nonexistent.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(file)) != EOF) {if (ferror(file)) {printf("Error reading file.\n");break;}putchar(ch);}fclose(file);return 0;
}
20. void clearerr(FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：清除文件流的错误标志和文件结束标志。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 返回值：无。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(file)) != EOF) {if (ferror(file)) {clearerr(file); // 清除错误标志printf("Error cleared.\n");break;}putchar(ch);}fclose(file);return 0;
}
21. int remove(const char *filename);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：删除指定的文件。

  • 参数：

    • const char *filename：要删除的文件名。

  • 返回值：成功时返回0；如果发生错误，则返回非零值。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {if (remove("example.txt") == 0) {printf("File deleted successfully.\n");} else {printf("Error deleting file.\n");}return 0;
}
22. int rename(const char *oldname, const char *newname);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：重命名文件。

  • 参数：

    • const char *oldname：旧文件名。
    • const char *newname：新文件名。

  • 返回值：成功时返回0；如果发生错误，则返回非零值。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {if (rename("oldname.txt", "newname.txt") == 0) {printf("File renamed successfully.\n");} else {printf("Error renaming file.\n");}return 0;
}
23. void setbuf(FILE *stream, char *buf);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：设置或取消文件流的缓冲区。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。
    • char *buf：缓冲区指针。如果为NULL，则取消缓冲。

  • 返回值：无。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "w");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}setbuf(file, NULL); // 取消缓冲fprintf(file, "This is a test.\n");fclose(file);return 0;
}
24. int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：设置文件流的缓冲方式和大小。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。
    • char *buf：缓冲区指针。如果为NULL，则使用系统分配的缓冲区。
    • int mode：缓冲方式（如_IOFBF表示完全缓冲，_IOLBF表示行缓冲，_IONBF表示不缓冲）。
    • size_t size：缓冲区大小。

  • 返回值：成功时返回0；如果发生错误，则返回非零值。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "w");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}char buffer[1024];setvbuf(file, buffer, _IOFBF, sizeof(buffer)); // 设置完全缓冲fprintf(file, "This is a test.\n");fclose(file);return 0;
}
25. int fflush(FILE *stream);

  • 头文件：<stdio.h>

  • 功能：刷新文件流的缓冲区。

  • 参数：

    • FILE *stream：指向文件流的指针。如果为NULL，则刷新所有输出流。

  • 返回值：成功时返回0；如果发生错误，则返回EOF。

  • 例子：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *file = fopen("example.txt", "w");if (file == NULL) {printf("Failed to open file.\n");return 1;}fprintf(file, "This is a test.\n");fflush(file); // 刷新缓冲区fclose(file);return 0;
}

这些函数是标准C语言中最常用的一些I/O函数，涵盖了标准输入/输出和文件操作的基本需求。希望这些信息对你有帮助！如果有任何其他问题或需要进一步的解释，请告诉我。

文件描述符

  • 标准IO函数通过FILE类型的结构体指针，系统IO函数则是通过文件描述符来完成
  • 在这里插入图片描述

文件描述符和文件结构体指针相互的转换

在这里插入图片描述

  • fdopen：将文件描述符转换为文件流，方便使用标准I/O函数进行操作。
  • fileno：将文件流转换为文件描述符，方便使用低级I/O系统调用进行操作。
fdopen 函数
  • 函数原型
FILE *fdopen(int fd, const char *mode);

  • 参数说明

    • int fd：文件描述符。

    • const char *mode：打开模式（如"r"表示只读，"w"表示写入，"a"表示追加等）。

  • 所在头文件

    • <stdio.h>

  • 返回值

    • 成功时返回指向文件流的指针。

    • 失败时返回NULL。

  • 简单示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}FILE *fp = fdopen(fd, "r+");if (fp == NULL) {perror("fdopen");close(fd);return 1;}// 使用文件流进行操作const char *message = "Hello, fdopen!";fwrite(message, 1, strlen(message), fp);// 重置文件位置指针rewind(fp);char buffer[100];size_t bytesRead = fread(buffer, 1, sizeof(buffer) - 1, fp);buffer[bytesRead] = '\0';printf("Read from file: %s\n", buffer);fclose(fp); // 关闭文件流，同时关闭文件描述符return 0;
}
fileno 函数
  • 函数原型
int fileno(FILE *stream);

  • 参数说明

  • FILE *stream：指向文件流的指针。

  • 所在头文件

  • <stdio.h>

  • 返回值

  • 成功时返回文件描述符。

  • 失败时返回-1。

  • 简单示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {FILE *fp = fopen("example.txt", "r+");if (fp == NULL) {perror("fopen");return 1;}int fd = fileno(fp);if (fd == -1) {perror("fileno");fclose(fp);return 1;}printf("File descriptor: %d\n", fd);// 使用文件描述符进行操作const char *message = "Hello, fileno!";write(fd, message, strlen(message));// 重置文件位置指针lseek(fd, 0, SEEK_SET);char buffer[100];ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);buffer[bytesRead] = '\0';printf("Read from file: %s\n", buffer);fclose(fp); // 关闭文件流，同时关闭文件描述符return 0;
}

文件I/O的系统调用

  • 文件操作函数的头文件一般都需要加上unistd.h
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

标准输入/输出函数

1. ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

在这里插入图片描述

  • 头文件：<unistd.h>

  • 功能：从文件描述符fd读取最多count个字节到缓冲区buf。

  • 参数：

    • int fd：文件描述符。
    • void *buf：指向存储读取数据的缓冲区的指针。
    • size_t count：要读取的最大字节数。

  • 返回值：成功时返回实际读取的字节数；到达文件结束时返回0；发生错误时返回-1。

  • 例子：

    #include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {char buffer[100];ssize_t bytesRead = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (bytesRead == -1) {perror("read");return 1;}buffer[bytesRead] = '\0'; // 确保字符串以空字符结尾printf("Read from stdin: %s\n", buffer);return 0;
}
2. ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

在这里插入图片描述

  • 头文件：<unistd.h>

  • 功能：将buf中的count个字节写入文件描述符fd。

  • 参数：

    • int fd：文件描述符。
    • const void *buf：指向要写入的数据的缓冲区的指针。
    • size_t count：要写入的字节数。

  • 返回值：成功时返回实际写入的字节数；发生错误时返回-1。

  • 例子：

    #include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {const char *message = "Hello, World!\n";ssize_t bytesWritten = write(STDOUT_FILENO, message, strlen(message));if (bytesWritten == -1) {perror("write");return 1;}return 0;
}

复制案例

在这里插入图片描述

  • io.h
    #ifndef __IO_H__
#define __IO_H__
extern void copy(int fdin,int fdout);
#endif
  • io.c
    #include<io.h>
#include<errno.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>#define BUFFER_LEN 1024void copy(int fdin,int fdout)
{char buffer[BUFFER_LEN];ssize_t size;while((size=read(fdin,buffer,BUFFER_LEN))>0){if(size<0){fprintf(stderr,"read error:%s\n",strerror(errno));exit(1);}else{if(write(fdout,buffer,size)!=size){fprintf(stderr,"read error:%s\n",strerror(errno));exit(1);}}}

gcc obj/io -Iinclude -c src/io.c

  • -Iinclude
    -在这里插入图片描述
  • -c
    - 产生目标文件

gcc bin/cp -Iinclude obj/io.o src/cp.c或者gcc bin/cp -Iinclude src/io.c src/cp.c

  • cp.c
    #include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include"io.h"
int main(int argc,char ** argv)
{if(argc<3){fprintf(stderr,"usage:%s srcfile destfile \n",argv[0]);exit(1);}int fdin = open(argv[1],O_RDONLY);if(fdin<0){fprintf(stderr,"%s fdin open fails:%s \n",argv[1],strerror(errno));exit(1);}else{printf("%s %d\n",argv[1],fdin);}int fdout = open(argv[2],O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0777);if(fdout<0){fprintf(stderr,"%s fdout open fails:%s \n",argv[2],strerror(errno));exit(1);}else{printf("%s %d\n",argv[2],fdout);}copy(fdin,fdout);close(fdin);close(fdout);return 0;
}

文件操作函数

  • C库函数的头文件都在\usr\include下
  • -查找头文件所在的位置。可以使用gcc
    #include <sys/stat.h>int main() {return 0;
}

    gcc -M test.c
3. int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

在这里插入图片描述

  • 头文件：<fcntl.h> 和 <sys/stat.h>

  • 功能：打开或创建一个文件，并返回一个文件描述符。

  • 参数：

    • const char *pathname：文件路径。
    • int flags：打开模式（如O_RDONLY表示只读，O_WRONLY表示只写，O_RDWR表示读写等在头文件<fcntl.h>中定义）。
      • 在这里插入图片描述
        //例如，创建一个用户可读可写的文件：
int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
    • mode_t mode：文件权限（仅在创建文件时使用）。

      • mode参数是一个mode_t类型的值，通常由几个权限位按位或（|）组合而成。以下是一些常用的权限位及其说明：

      • 用户权限：

        • S_IRUSR：用户读权限（0400）
        • S_IWUSR：用户写权限（0200）
        • S_IXUSR：用户执行权限（0100）

      • 组权限：
        - S_IRGRP：组读权限（0040）
        - S_IWGRP：组写权限（0020）
        - S_IXGRP：组执行权限（0010）

      • 其他用户权限

        • S_IROTH：其他用户读权限（0004）
        • S_IWOTH：其他用户写权限（0002）
        • S_IXOTH：其他用户执行权限（0001）

      • 权限组合
        你可以通过按位或运算（|）组合多个权限位来设置文件的权限。例如：

        • 用户可读可写，组和其他用户不可访问：

          mode_t mode = S_IRUSR | S_IWUSR;

        • 用户可读可写可执行，组可读可执行，其他用户可读：

          mode_t mode = S_IRUSR | S_IWUSR | S_IXUSR | S_IRGRP | S_IXGRP | S_IROTH;

      • 以下是一些常见的权限组合示例：

        1. 用户可读可写：

          int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);

        2. 用户可读可写可执行：

          int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IXUSR);

        3. 用户可读可写，组可读，其他用户不可访问：

          int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP);

        4. 用户可读可写可执行，组可读可写，其他用户可读：

          int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IXUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH);

      • 八进制表示法
        - 权限也可以用八进制数字表示，每个数字对应一组权限：
        - 第一个数字：用户权限
        - 第二个数字：组权限
        - 第三个数字：其他用户权限

          例如：- `0600`：用户可读可写，组和其他用户不可访问- `0755`：用户可读可写可执行，组可读可执行，其他用户可读可执行- `0644`：用户可读可写，组和其他用户可读- 使用八进制表示法设置权限：

        int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0600);

  • 返回值：成功时返回文件描述符；如果打开失败，则返回-1。

  • 例子：

    #include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_WRONLY, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}close(fd);return 0;
}
creat

在这里插入图片描述
creat函数是Linux系统中用于创建文件的一个简化版本的open函数。creat函数的主要特点是它总是创建一个新的文件，并且只以写模式打开文件。如果文件已经存在，creat会截断文件并覆盖其内容。

函数原型

#include <fcntl.h>
int creat(const char *pathname, mode_t mode);

  • 参数说明

    • const char *pathname：要创建的文件的路径。

    • mode_t mode：文件的权限模式。

  • 返回值

    • 成功时返回文件描述符（非负整数）。

    • 失败时返回-1，并设置errno以指示错误类型。

  • 常用的权限模式

    权限模式可以用mode_t类型的值表示，通常由几个权限位按位或（|）组合而成。以下是一些常用的权限位：

    • S_IRUSR：用户读权限（0400）
    • S_IWUSR：用户写权限（0200）
    • S_IXUSR：用户执行权限（0100）
    • S_IRGRP：组读权限（0040）
    • S_IWGRP：组写权限（0020）
    • S_IXGRP：组执行权限（0010）
    • S_IROTH：其他用户读权限（0004）
    • S_IWOTH：其他用户写权限（0002）
    • S_IXOTH：其他用户执行权限（0001）

  • 示例

    • #include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main() {int fd;const char *filename = "example.txt";const char *message = "Hello, creat!";char buffer[100];// 创建文件，权限为用户可读可写fd = creat(filename, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd == -1) {perror("creat");exit(EXIT_FAILURE);}// 写入数据ssize_t bytesWritten = write(fd, message, strlen(message));if (bytesWritten == -1) {perror("write");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 重置文件位置指针lseek(fd, 0, SEEK_SET);// 读取数据ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (bytesRead == -1) {perror("read");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}buffer[bytesRead] = '\0'; // 确保字符串以空字符结尾printf("Read from file: %s\n", buffer);// 关闭文件close(fd);return 0;
}
4. int close(int fd);

在这里插入图片描述

  • 头文件：<unistd.h>

  • 功能：关闭一个已打开的文件描述符。

  • 参数：

    • int fd：文件描述符。

  • 返回值：成功时返回0；如果发生错误，则返回-1。

5. off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 可以计算文件的大小
 printf("%s file length:%ld\n",argv[1],lseek(fdin,0L,SEEK_END));

  • 头文件：<unistd.h>

  • 功能：设置文件描述符fd的读写位置。

  • 参数：

    • int fd：文件描述符。
    • off_t offset：相对于whence的偏移量。如 long 或 long long
    • int whence：位置基准点（如SEEK_SET表示文件开头，SEEK_CUR表示当前位置，SEEK_END表示文件结尾）。

  • 返回值：成功时返回新的文件位置；如果发生错误，则返回-1。

  • 例子：

    #include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDWR);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}off_t new_pos = lseek(fd, 5, SEEK_SET); // 移动到文件开头后的第5个字节if (new_pos == -1) {perror("lseek");close(fd);return 1;}close(fd);return 0;
}
生成空洞文件
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>char *buffer = "0123456789";int main(int argc,char *argv[])
{if(argc<2){fprintf(stderr,"parameter is less\n");exit(0);}int fd = open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR,0777);if(fd==-1) // 文件打开s失败{fprintf(stderr,"%s file open fail\n",argv[1]);exit(1);}lseek(fd,20L,SEEK_SET);if(write(fd,buffer,strlen(buffer)*sizeof(char))==-1){fprintf(stderr,"write error %s\n",argv[1]);exit(1);}return 0;
}
  • 查看文件的ASCALL码
    • od -c hole
  • 查看文件磁盘块大小
    • sudo tune2fs -l /dev/sda1
    • 在这里插入图片描述
    • 我们每次一次io读写文件，读写的基本单位是一个磁盘块，一个磁盘块的大小是4096个字节。所以缓存大小设置为磁盘块的大小
6. int dup(int oldfd);

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
- **是将oldfd的文件描述符表的指针复制给newfd,使oldfd和newfd都指向oldfd的文件描述符表的指针**

  • 头文件：<unistd.h>

  • 功能：复制一个文件描述符。

  • 参数：

    • int oldfd：要复制的文件描述符。

  • 返回值：成功时返回新的文件描述符；如果发生错误，则返回-1。

  • 例子：

    #include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDWR);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}int new_fd = dup(fd);if (new_fd == -1) {perror("dup");close(fd);return 1;}close(fd);close(new_fd);return 0;
}
实现cat命令
#include"io.h"
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>int main(int argc, char *argv[])
{int fd_in = STDIN_FILENO;int fd_out = STDOUT_FILENO;for(int i=1;i<argc;i++)   // 这里是为了实现输入    cat file.txt  的情况{fd_in = open(argv[i],O_RDONLY);if(fd_in<0){perror("open error");continue;}copy(fd_in,fd_out);close(fd_in);}if(argc==1)   // 这里实现的是只是输入  cat命令时的情况copy(fd_in,fd_out);return 0;
}
实现±重定向

mcat + file.txt // 将file.txt输出到屏幕中，这要求将file.txt以只读方式打开之后，将其文件描述符表的指针复制给标准输入
mcat - file.txt //将屏幕输入的内容输出到file.txt中，这要求以可读方式打开file.txt之后，将其文件描述符表指针复制给标准输出

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
#include"io.h"
/*bin/mcat + file +为输入从定向bin/mcat - file - 为输出重定向
*/int main(int argc,char *argv[])
{int fd_in,fd_out;int flag = 0;for(int i =1;i<argc;i++){if(!strcmp("+",argv[i])){fd_in = open(argv[++i],O_RDONLY);if(fd_in<0){perror("poen error");exit(1);}// 将标准输入重定向到文件if(dup2(fd_in,STDIN_FILENO)!=STDIN_FILENO){perror("dup2 error");exit(1);}close(fd_in);}else if(!strcmp("-",argv[i])){// 将文件的内容不是输出到屏幕而是输出到一个文件中fd_out = open(argv[++i],O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0777);if(fd_out<0){perror("open error");exit(1);}if(dup2(fd_out,STDOUT_FILENO)!=STDOUT_FILENO){perror("dup2 error");exit(1);}close(fd_out);}else{flag = 1;fd_in = open(argv[i],O_RDONLY);if(fd_in<0){perror("open error");exit(1);}if(dup2(fd_in,STDIN_FILENO)){perror("dup2 error");exit(1);}copy(STDIN_FILENO,STDOUT_FILENO);close(fd_in);}}if(!flag)copy(STDIN_FILENO,STDOUT_FILENO);return 0;
}

文件描述符的复制

7. int dup2(int oldfd, int newfd);

  • 头文件：<unistd.h>

  • 功能：复制一个文件描述符，并将其绑定到另一个文件描述符。

  • 参数：

    • int oldfd：要复制的文件描述符。
    • int newfd：新的文件描述符。

  • 返回值：成功时返回新的文件描述符；如果发生错误，则返回-1。

  • 例子：

    #include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDWR);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}int new_fd = dup2(fd, 3); // 将fd复制到文件描述符3if (new_fd == -1) {perror("dup2");close(fd);return 1;}close(fd);close(new_fd);return 0;
}

文件操作的内核数据结构

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

int fcntl(int fd, int cmd, … /* arg */ );

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

fcntl 函数是 Unix 和类 Unix 操作系统中用于文件描述符控制的多功能函数。它可以执行多种与文件描述符相关的操作，如复制文件描述符、获取和设置文件状态标志、获取和设置文件锁等。

#include <fcntl.h>int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

  • fd：文件描述符，表示要操作的文件或 I/O 对象。

  • cmd：命令，指定要执行的操作。常见的命令包括：

    • F_DUPFD：复制文件描述符。
    • F_GETFD：获取文件描述符的标志。
    • F_SETFD：设置文件描述符的标志。
    • F_GETFL：获取文件状态标志。
    • F_SETFL：设置文件状态标志。
    • F_GETLK：获取文件锁。
    • F_SETLK：设置文件锁。
    • F_SETLKW：设置文件锁，等待锁释放。

  • arg：根据 cmd 的不同，第三个参数可能是整数、指向 struct flock 的指针或其他类型的参数。

    1. 复制文件描述符
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {int old_fd = 0; // 标准输入文件描述符int new_fd;// 复制文件描述符new_fd = fcntl(old_fd, F_DUPFD, 100); // 从100开始寻找最小的未使用的文件描述符if (new_fd == -1) {perror("fcntl F_DUPFD");return 1;}printf("Old FD: %d, New FD: %d\n", old_fd, new_fd);// 关闭新旧文件描述符close(old_fd);close(new_fd);return 0;
}
    1. 获取和设置文件描述符标志
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd = Ⅰ; // 标准输入文件描述符int flags;// 获取文件描述符标志flags = fcntl(fd, F_GETFD);if (flags == -1) {perror("fcntl F_GETFD");return 1;}printf("Current flags: %d\n", flags);// 设置文件描述符标志if (fcntl(fd, F_SETFD, flags | FD_CLOEXEC) == -1) {perror("fcntl F_SETFD");return 1;}// 再次获取文件描述符标志flags = fcntl(fd, F_GETFD);if (flags == -1) {perror("fcntl F_GETFD");return 1;}printf("New flags: %d\n", flags);return 0;
}
    1. 获取和设置文件状态标志
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd = Ⅰ; // 标准输入文件描述符int flags;// 获取文件状态标志flags = fcntl(fd, F_GETFL);if (flags == -1) {perror("fcntl F_GETFL");return 1;}printf("Current file status flags: %d\n", flags);// 设置文件状态标志if (fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) == -1) {perror("fcntl F_SETFL");return 1;}// 再次获取文件状态标志flags = fcntl(fd, F_GETFL);if (flags == -1) {perror("fcntl F_GETFL");return 1;}printf("New file status flags: %d\n", flags);return 0;
}
    1. 文件锁
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>int main() {int fd;struct flock lock;// 打开文件fd = open("example.txt", O_RDWR | O_CREAT, 06½);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}// 初始化文件锁结构lock.l_type = F_WRLCK;  // 写锁lock.l_whence = SEEK_SET;lock.l_start = 0;lock.l_len = 0;  // 整个文件lock.l_pid = getpid();// 设置文件锁if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {perror("fcntl F_SETLK");close(fd);return 1;}// 释放文件锁lock.l_type = F_UNLCK;if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {perror("fcntl F_SETLK");close(fd);return 1;}// 关闭文件close(fd);return 0;
}

总结

fcntl 函数是一个非常强大的工具，可以用于多种文件描述符相关的操作。以下是一些常见的操作：

  • 复制文件描述符：F_DUPFD
  • 获取和设置文件描述符标志：F_GETFD 和 F_SETFD
  • 获取和设置文件状态标志：F_GETFL 和 F_SETFL
  • 文件锁：F_GETLK、F_SETLK 和 F_SETLKW
设置文件标准标志
void set_fl(int fd,int flag)
{int val = fcntl(fd,F_GETFL);// 获取原来的文件状态n标志val|=flag;  // 增加新的文件状态标志if(fcntl(fd,F_SETFL,val)<0)fprintf(stderr,"fcntl error %s\n",strerror(errno));
}void clr_fl(int fd,int flag)
{int val = fcntl(fd,F_GETFL);// 清除指定的文件状态标志val&=~flag;if(fcntl(fd,F_SETFL,val)<0)fprintf(stderr,"fcntl error %s",strerror(errno));}
文件描述符标志和文件状态标志的区别

在 fcntl 函数中，文件描述符标志（File Descriptor Flags）和文件状态标志（File Status Flags）是两种不同类型的状态标志，它们各自有不同的用途和意义。

文件描述符标志（File Descriptor Flags）

文件描述符标志是与特定文件描述符相关联的标志，而不是与文件本身相关联的标志。这些标志通常影响文件描述符的行为，特别是在进程执行 exec 系列函数时。

常见的文件描述符标志

  • FD_CLOEXEC：这是一个非常重要的标志。当设置此标志时，文件描述符将在执行 exec 系列函数时自动关闭。如果没有设置此标志，文件描述符将保持打开状态。

设置和获取文件描述符标志

  • 获取文件描述符标志：

    int flags = fcntl(fd, F_GETFD);
if (flags == -1) {perror("fcntl F_GETFD");return 1;
}

  • 设置文件描述符标志：

    if (fcntl(fd, F_SETFD, flags | FD_CLOEXEC) == -1) {perror("fcntl F_SETFD");return 1;
}

文件状态标志（File Status Flags）

文件状态标志是与文件本身相关联的标志，它们影响文件的打开方式和 I/O 操作的行为。这些标志通常在打开文件时通过 open 函数的 flags 参数设置，也可以在文件打开后通过 fcntl 函数修改。

常见的文件状态标志

  • O_RDONLY：只读模式。
  • O_WRONLY：只写模式。
  • O_RDWR：读写模式。
  • O_APPEND：每次写操作都追加到文件末尾。
  • O_NONBLOCK：非阻塞模式。
  • O_SYNC：同步写操作，确保数据立即写入磁盘。
  • O_CREAT：如果文件不存在，则创建文件。
  • O_TRUNC：如果文件已存在且为只写或读写模式，则截断文件长度为0。
  • O_EXCL：与 O_CREAT 一起使用，如果文件已存在，则打开失败。

设置和获取文件状态标志

  • 获取文件状态标志：

    int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
if (flags == -1) {perror("fcntl F_GETFL");return 1;
}

  • 设置文件状态标志：

    if (fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) == -1) {perror("fcntl F_SETFL");return 1;
}

主要区别

  1. 作用对象：

    • 文件描述符标志：作用于特定的文件描述符，影响文件描述符的行为。
    • 文件状态标志：作用于文件本身，影响文件的打开方式和 I/O 操作的行为。

  2. 使用场景：

    • 文件描述符标志：主要用于控制文件描述符在 exec 系列函数执行时的行为。
    • 文件状态标志：主要用于控制文件的打开方式和 I/O 操作的行为。

  3. 标志位：

    • 文件描述符标志：主要标志是 FD_CLOEXEC。
    • 文件状态标志：包括 O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR、O_APPEND、O_NONBLOCK、O_SYNC 等。

示例

以下是一个示例，展示了如何分别获取和设置文件描述符标志和文件状态标志：

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>int main() {int fd;int fd_flags, fl_flags;// 打开文件fd = open("example.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}// 获取文件描述符标志fd_flags = fcntl(fd, F_GETFD);if (fd_flags == -1) {perror("fcntl F_GETFD");close(fd);return 1;}printf("Current FD flags: %d\n", fd_flags);// 设置文件描述符标志if (fcntl(fd, F_SETFD, fd_flags | FD_CLOEXEC) == -1) {perror("fcntl F_SETFD");close(fd);return 1;}printf("New FD flags: %d\n", fcntl(fd, F_GETFD));// 获取文件状态标志fl_flags = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl_flags == -1) {perror("fcntl F_GETFL");close(fd);return 1;}printf("Current file status flags: %d\n", fl_flags);// 设置文件状态标志if (fcntl(fd, F_SETFL, fl_flags | O_NONBLOCK) == -1) {perror("fcntl F_SETFL");close(fd);return 1;}printf("New file status flags: %d\n", fcntl(fd, F_GETFL));// 关闭文件close(fd);return 0;
}

总结

  • 文件描述符标志：与特定文件描述符相关联，影响文件描述符的行为，特别是 exec 时的行为。
  • 文件状态标志：与文件本身相关联，影响文件的打开方式和 I/O 操作的行为。

希望这些信息对你有帮助！如果你有任何其他问题或需要进一步的解释，请告诉我。

文件的原子操作

I/O处理模型

在这里插入图片描述

非阻塞IO

在这里插入图片描述

  • 设置阻塞方式，睡眠之后会等待输入

    #include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>int main()
{char buffer[4096] = {'\0'};ssize_t size = 0;sleep(5);size = read(STDIN_FILENO,buffer,sizeof(buffer));  // 默认是阻塞的if(size<0){perror("read error");exit(1);}else if(size==0){printf("read finished!\n");}else{if(write(STDOUT_FILENO,buffer,size)!=size)perror("write error");}return 0;
}

  • 当设置为阻塞方式时，没有输入内容会报错

    int main()
{char buffer[4096] = {'\0'};ssize_t size = 0;set_fl(STDIN_FILENO,O_NONBLOCK);sleep(5);size = read(STDIN_FILENO,buffer,sizeof(buffer));// 设置非阻塞if(size<0){perror("read error");exit(1);}else if(size==0){printf("read finished!\n");}else{if(write(STDOUT_FILENO,buffer,size)!=size)perror("write error");}return 0;
}
    • 在这里插入图片描述

文件锁机制

存储映射

--------------------

文件操作函数

文件共享机制


http://www.ppmy.cn/devtools/133931.html

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