Linux系统IO

Linux系统中的IO函数主要包括两大类：标准C库中的函数和Linux系统调用。这些函数可以用于文件操作、网络通信、设备控制等多种IO任务。以下是Linux系统中常用的IO函数和系统调用的概述：

标准C库IO函数

这些函数是高级的、封装好的，并且与操作系统的底层实现相隔离，提供了便捷的接口给程序员使用。

文件操作
- fopen(), fclose()：打开和关闭文件。
- fread(), fwrite()：读写文件数据。
- fprintf(), fscanf()：格式化文件读写。
- fgets(), fputs()：读写字符串到文件。
- fseek(), ftell(), rewind()：控制文件内的位置指针。
缓冲操作
- setbuf(), setvbuf()：设置和管理文件流的缓冲。
错误处理
- perror()，feof()，ferror()：错误和文件结束的检查。

Linux系统调用

系统调用提供了更为直接的操作系统功能访问，允许开发者执行低级的文件、网络以及其他IO操作。

文件和目录操作
- open(), close()：打开和关闭文件描述符。
- read(), write()：通过文件描述符读写数据。
- lseek()：移动文件描述符的读写位置。
- unlink()：删除文件链接。
- stat(), fstat()：获取文件状态。
高级文件操作
- ioctl()：设备控制特殊操作。
- dup(), dup2()：复制文件描述符。
目录操作
- mkdir(), rmdir()：创建和删除目录。
- chdir()：改变当前工作目录。
网络通信
- socket(), bind(), listen(), accept()：用于创建和操作套接字，实现网络通信。
- connect(), send(), recv()：建立连接，发送和接收数据。

示例代码

以下是一个使用系统调用 open(), read(), write(), 和 close() 来复制文件内容的简单示例：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>int main() {char buffer[1024];int source = open("source.txt", O_RDONLY);if (source < 0) return -1;int dest = open("dest.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (dest < 0) {close(source);return -1;}ssize_t bytes_read, bytes_written;while ((bytes_read = read(source, buffer, sizeof(buffer))) > 0) {bytes_written = write(dest, buffer, bytes_read);if (bytes_written < 0) break;}close(source);close(dest);return 0;
}

这个示例展示了如何直接使用Linux系统调用来进行文件IO操作。这些函数和调用提供了从高级到低级的多样化操作方式，让开发者根据需要选择最合适的工具来实现各种功能。

perror函数

在C语言中，perror 函数是一个用于输出错误信息的标准库函数，它能够将描述最后一次错误的字符串输出到标准错误流（stderr）。perror 用于显示与当前errno值相关联的文本消息，这有助于调试程序时了解错误的具体原因。

函数原型

perror 的原型定义在 <stdio.h> 头文件中，其语法非常简单：

#include <stdio.h>void perror(const char *s);

s：一个指向字符串的指针，通常用于提供错误发生时的上下文或额外信息。在输出的错误消息前，这个字符串将被首先打印，后跟一个冒号和一个空格，然后是与当前 errno 值相关联的错误消息。

功能描述

当程序中发生错误时（特别是系统调用错误），大多数系统函数会设置全局变量 errno 的值，以表示特定的错误类型。perror 函数读取 errno 的值，并输出相应的错误描述字符串。如果在调用出错的函数之后 errno 没有被另一个函数调用覆盖，那么 perror 可以用来显示有关错误的描述。

值得注意的是，errno 是由操作系统维护的，在调用系统函数（如 open、read、write 等）失败时设置。由于 errno 可能在调用其他函数后被修改，因此最好立即在失败的系统调用后使用 perror 或检查 errno。

open函数

在Linux和其他类Unix操作系统中，open 函数是一个非常重要的系统调用，用于打开或创建文件并返回一个文件描述符，这个文件描述符在后续的文件操作中被用作标识。

函数原型

open 函数的原型定义在 <fcntl.h> 头文件中，其语法结构如下：

#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

pathname：要打开或创建文件的路径字符串。
flags：控制文件打开方式的标志位。这些标志决定函数的行为（如只读、只写、读写、是否创建新文件等）。
mode：当创建新文件时，指定文件的权限。这个参数是可选的，仅在创建新文件时需要。

Flags 参数

flags 参数控制文件的打开行为，常用的选项包括：

O_RDONLY：以只读方式打开文件。
O_WRONLY：以只写方式打开文件。
O_RDWR：以读写方式打开文件。
O_CREAT：如果文件不存在，则创建它。使用这个选项时需要提供 mode 参数。
O_TRUNC：如果文件已存在且成功打开（通常与写权限一起使用），则将文件长度截断为0。
O_APPEND：写操作会写入文件的末尾。
O_NONBLOCK：以非阻塞模式打开文件。
O_EXCL：与 O_CREAT 一起使用时，如果文件已存在，则打开失败。这用于测试文件是否存在。

Mode 参数

mode 参数指定新创建文件的访问权限，这些权限使用以下常量（定义在 <sys/stat.h>）来设置：

S_IRUSR、S_IWUSR、S_IXUSR：分别设置文件所有者的读、写、执行权限。
S_IRGRP、S_IWGRP、S_IXGRP：设置组的读、写、执行权限。
S_IROTH、S_IWOTH、S_IXOTH：设置其他用户的读、写、执行权限。

打开文件

/*#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>// 打开一个已经存在的文件int open(const char *pathname, int flags);参数：- pathname：要打开的文件路径- flags：对文件的操作权限设置还有其他的设置O_RDONLY,  O_WRONLY,  O_RDWR  这三个设置是互斥的返回值：返回一个新的文件描述符，如果调用失败，返回-1errno：属于Linux系统函数库，库里面的一个全局变量，记录的是最近的错误号。#include <stdio.h>void perror(const char *s);作用：打印errno对应的错误描述s参数：用户描述，比如hello,最终输出的内容是  hello:xxx(实际的错误描述)// 创建一个新的文件int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {// 打开一个文件int fd = open("a.txt", O_RDONLY);if(fd == -1) {perror("open");}// 读写操作// 关闭close(fd);return 0;
}

在这个例子中，如果 open 函数因为文件不存在或其他原因失败，perror 将输出类似以下的消息：

Error opening file: No such file or directory

这里，“Error opening file” 是 perror 的参数 s 提供的，而 “No such file or directory” 则是根据 errno 的值自动提供的错误描述。

创建文件

/*#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>参数：- pathname：要创建的文件的路径- flags：对文件的操作权限和其他的设置- 必选项：O_RDONLY,  O_WRONLY, O_RDWR  这三个之间是互斥的- 可选项：O_CREAT 文件不存在，创建新文件- mode：八进制的数，表示创建出的新的文件的操作权限，比如：0775最终的权限是：mode & ~umask0777   ->   111111111&   0775   ->   111111101----------------------------111111101按位与：0和任何数都为0umask的作用就是抹去某些权限。flags参数是一个int类型的数据，占4个字节，32位。flags 32个位，每一位就是一个标志位。*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {// 创建一个新的文件int fd = open("create.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0777);if(fd == -1) {perror("open");}// 关闭close(fd);return 0;
}

read函数

在 Linux 编程中，read 函数是一个系统调用，用于从打开的文件描述符中读取数据。它通常用于从文件、管道、套接字等读取数据。这个函数的原型定义在 <unistd.h> 头文件中，并且它是 POSIX 标准的一部分，因此在大多数 UNIX-like 系统上都可用。

函数原型

#include <unistd.h>ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数

fd：文件描述符，是一个整数，指示从哪个文件读取数据。这个文件描述符通常是通过调用 open, socket, pipe, 或其他相关系统调用得到的。
buf：一个指向缓冲区的指针，用来存储从文件描述符读取的数据。
count：要读取的最大字节数。

返回值

成功时，返回读取的字节数，如果文件结尾（EOF），则返回 0。
错误时，返回 -1，并设置 errno 来表示错误类型。

错误

read 函数在执行中可能会遇到多种错误，其中一些常见的包括：

EBADF：fd 不是一个有效的文件描述符或不是为读取操作打开的。
EFAULT：buf 指向的缓冲区不可访问或在进程的地址空间之外。
EINTR：读取操作被信号中断。
EINVAL：传递给 read 的参数无效。
EIO：发生输入/输出错误。

wirte函数

在 Linux 编程中，write 函数也是一个重要的系统调用，用于将数据写入到打开的文件描述符中。这个函数同样定义在 <unistd.h> 头文件中，并被广泛用于向文件、管道、套接字等写入数据。

函数原型

#include <unistd.h>ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数

fd：文件描述符，是一个整数，指示将数据写入哪个文件。这个文件描述符通常是通过调用 open, socket, pipe, 或其他相关系统调用得到的。
buf：指向缓冲区的指针，这个缓冲区包含了要写入文件的数据。
count：要写入的字节数。

返回值

成功时，返回写入的字节数，可能少于请求写入的字节数（例如，磁盘空间不足时）。
错误时，返回 -1，并设置 errno 来表示错误类型。

错误

write 函数在执行中可能会遇到多种错误，其中一些常见的包括：

EBADF：fd 不是一个有效的文件描述符或不是为写入操作打开的。
EFAULT：buf 指向的内存区域超出了你的进程的地址空间。
EINTR：写入操作被信号中断。
EINVAL：fd 是无效的或不支持写入操作。
EIO：发生输入/输出错误。
ENOSPC：设备已满，没有空间来完成操作。

lseek函数

在 Linux 编程中，lseek 是一个系统调用，用于改变打开的文件描述符的文件偏移量。这个函数允许你重新定位读写文件的位置，非常有用，尤其是在需要读取或写入文件的非连续部分时。

函数原型

#include <unistd.h>off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

参数

fd：文件描述符，是一个整数，代表一个打开的文件。
offset：偏移量，根据 whence 的设置，它可以是正数、负数或零。
whence：这个参数决定了如何解释 offset：
- SEEK_SET：将文件的读写位置设置为 offset 指定的绝对位置。
- SEEK_CUR：将文件的读写位置设置为当前位置加上 offset。
- SEEK_END：将文件的读写位置设置为文件大小加上 offset（对于在文件末尾后进行写操作非常有用）。

返回值

成功时，返回新的文件偏移量，即从文件开头到新位置的字节数。
错误时，返回 -1，并设置 errno 来表示错误类型。

错误

lseek 函数可能遇到的一些错误包括：

EBADF：fd 不是一个有效的打开文件描述符。
EINVAL：whence 不是 SEEK_SET, SEEK_CUR, 或 SEEK_END；或者尝试设置文件偏移量为负值。
ESPIPE：fd 关联的是一个管道、套接字或FIFO，这些类型不支持 lseek。

/*  标准C库的函数#include <stdio.h>int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);Linux系统函数#include <sys/types.h>#include <unistd.h>off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);参数：- fd：文件描述符，通过open得到的，通过这个fd操作某个文件- offset：偏移量- whence:SEEK_SET设置文件指针的偏移量SEEK_CUR设置偏移量：当前位置 + 第二个参数offset的值SEEK_END设置偏移量：文件大小 + 第二个参数offset的值返回值：返回文件指针的位置作用：1.移动文件指针到文件头lseek(fd, 0, SEEK_SET);2.获取当前文件指针的位置lseek(fd, 0, SEEK_CUR);3.获取文件长度lseek(fd, 0, SEEK_END);4.拓展文件的长度，当前文件10b, 110b, 增加了100个字节lseek(fd, 100, SEEK_END)注意：需要写一次数据*/#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {int fd = open("hello.txt", O_RDWR);if(fd == -1) {perror("open");return -1;}// 扩展文件的长度int ret = lseek(fd, 100, SEEK_END);if(ret == -1) {perror("lseek");return -1;}// 写入一个空数据write(fd, " ", 1);// 关闭文件close(fd);return 0;
}

stat函数

stat结构体

struct stat {
dev_t st_dev; // 文件的设备编号
ino_t st_ino; // 节点
mode_t st_mode; // 文件的类型和存取的权限
nlink_t st_nlink; // 连到该文件的硬连接数目
uid_t st_uid; // 用户ID
gid_t st_gid; // 组ID
dev_t st_rdev; // 设备文件的设备编号
off_t st_size; // 文件字节数(文件大小)
blksize_t st_blksize; // 块大小
blkcnt_t st_blocks; // 块数
time_t st_atime; // 最后一次访问时间
time_t st_mtime; // 最后一次修改时间
time_t st_ctime; // 最后一次改变时间(指属性)
};

st_mode变量

/*#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <unistd.h>int stat(const char *pathname, struct stat *statbuf);作用：获取一个文件相关的一些信息参数:- pathname：操作的文件的路径- statbuf：结构体变量，传出参数，用于保存获取到的文件的信息返回值：成功：返回0失败：返回-1 设置errnoint lstat(const char *pathname, struct stat *statbuf);参数:- pathname：操作的文件的路径- statbuf：结构体变量，传出参数，用于保存获取到的文件的信息返回值：成功：返回0失败：返回-1 设置errno*/#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {struct stat statbuf;int ret = stat("a.txt", &statbuf);if(ret == -1) {perror("stat");return -1;}printf("size: %ld\n", statbuf.st_size);return 0;
}

lstat函数

创建软连接

ln -s a.txt b.txt

在 Linux 编程中，lstat 函数类似于 stat 函数，但与 stat 相比，lstat 有一个重要的区别：当被调用的文件是一个符号链接时，lstat 返回的是符号链接本身的信息，而不是链接指向的文件的信息。这使得 lstat 在处理符号链接时特别有用。

模拟实现ls-l

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <pwd.h>
#include <grp.h>
#include <time.h>
#include <string.h>// 模拟实现 ls -l 指令
// -rw-rw-r-- 1 nowcoder nowcoder 12 12月  3 15:48 a.txt
int main(int argc, char * argv[]) {// 判断输入的参数是否正确if(argc < 2) {printf("%s filename\n", argv[0]);return -1;}// 通过stat函数获取用户传入的文件的信息struct stat st;int ret = stat(argv[1], &st);if(ret == -1) {perror("stat");return -1;}// 获取文件类型和文件权限char perms[11] = {0};   // 用于保存文件类型和文件权限的字符串switch(st.st_mode & S_IFMT) {case S_IFLNK:perms[0] = 'l';break;case S_IFDIR:perms[0] = 'd';break;case S_IFREG:perms[0] = '-';break; case S_IFBLK:perms[0] = 'b';break; case S_IFCHR:perms[0] = 'c';break; case S_IFSOCK:perms[0] = 's';break;case S_IFIFO:perms[0] = 'p';break;default:perms[0] = '?';break;}// 判断文件的访问权限// 文件所有者perms[1] = (st.st_mode & S_IRUSR) ? 'r' : '-';perms[2] = (st.st_mode & S_IWUSR) ? 'w' : '-';perms[3] = (st.st_mode & S_IXUSR) ? 'x' : '-';// 文件所在组perms[4] = (st.st_mode & S_IRGRP) ? 'r' : '-';perms[5] = (st.st_mode & S_IWGRP) ? 'w' : '-';perms[6] = (st.st_mode & S_IXGRP) ? 'x' : '-';// 其他人perms[7] = (st.st_mode & S_IROTH) ? 'r' : '-';perms[8] = (st.st_mode & S_IWOTH) ? 'w' : '-';perms[9] = (st.st_mode & S_IXOTH) ? 'x' : '-';// 硬连接数int linkNum = st.st_nlink;// 文件所有者char * fileUser = getpwuid(st.st_uid)->pw_name;// 文件所在组char * fileGrp = getgrgid(st.st_gid)->gr_name;// 文件大小long int fileSize = st.st_size;// 获取修改的时间char * time = ctime(&st.st_mtime);char mtime[512] = {0};strncpy(mtime, time, strlen(time) - 1);char buf[1024];sprintf(buf, "%s %d %s %s %ld %s %s", perms, linkNum, fileUser, fileGrp, fileSize, mtime, argv[1]);printf("%s\n", buf);return 0;
}