Linux-5

标准C库IO函数

1. 标准C库IO和Linux系统IO

• 标准C库IO函数中，通过fopen方法打开一个文件时，返回的是一个文件指针FILE *fp(是一个结构体)，其包含文件描述符(整型，指向已打开的文件)、文件读写指针(读写文件过程中指针/光标的实际位置)以及I/O缓冲区(内存地址，用于寻址找到对应的内存块，通常为8192byte)。
• 数据从内存刷新到磁盘的三种情况：
  • 强制刷新缓冲区：fflush
  • 缓冲区已满
  • 正常关闭文件: flose(), return(main函数)，exit(main函数)。
• 标准C库IO是首先由用户程序进行调用，然后将数据写到缓冲区，最后调用内核函数将缓冲区的数据刷新到磁盘中。因此，标准C库IO和Linux系统IO的关系是前者调用后者的关系。

对于效率要求较高的如网络通信，则需要直接通过调用Linux的IO函数，直接将数据接收到磁盘中。

1. 虚拟地址空间

• 虚拟地址空间是不存在的，通过MMU映射到实际的物理内存。
• 堆是由低地址向高地址存储，而栈则是由高地址向低地址存储。
• 内核区的资源只能通过调用系统API来使用。

1. 进程与应用程序的区别：应用程序指可执行程序，只占用磁盘空间而不占用内存；进程是指正在运行的应用程序，当运行某个应用程序时，系统需要为该程序分配一部分计算机资源，因而进程是占用系统内存的(每个进程都拥有自己的虚拟地址空间)。

2. 文件描述符位于内核区，由内核中的进程控制块(PCB)进行管理。当进程创建后，PCB中实际上就有一个数组，称为文件描述符表，用于存放程序所使用的文件的信息，默认大小为1024(最多同时打开1024个文件). 表中前三个位置被标准输入(STDIN_FILENO)、标准输出(STDOUT_FILENO)和标准错误(STDERR_FILENO)占用，且这三个文件默认是打开状态的,对应当前终端(计算机系统的所有资源都被抽象为文件，当前终端为/dev/tty/)。单个文件多次打开，其文件描述符都是不一样的，只有当调用flose时才会销毁。

3. Linux系统IO函数

• 打开文件
  • 所需头文件：<sys/types.h>、<sys/stat.h>、<fcntl.h>
  • 函数原型：int open(const char *pathname, int flags);
  • 函数参数：
    • pathname: 目标文件路径
    • flags: 对文件的操作权限设置，包括O_RDONLY, O_WRONLY, or O_RDWR, 三种模式是互斥的.
    • 返回值: 返回一个新的文件描述符，如果调用失败则返回-1，并设置errno.

errno: 属于Linux系统函数库，是一个全局变量，记录最近的错误号
根据errno打印相关的错误信息的函数原型为：void perror(const char *s);
参数*s为所要显示的错误操作的字符串信息，其位于<stdio.h>中.

• 创建文件：
  • 所需头文件：<sys/types.h>、<sys/stat.h>、<fcntl.h>
  • 函数原型：int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
  • 函数参数：
    • pathname：创建文件的路径/文件名
    • flags: 对文件的操作权限设置（读写权限）
      • 必选：O_RDONLY, O_WRONLY, or O_RDWR, 三种模式是互斥的
      • 可选：O_CREAT: 创建文件

         O_CLOEXEC, O_DIRECTORY, O_EXCL, O_NOCTTY, O_NOFOLLOW, O_TMPFILE, and O_TRUNC
        

      • 备注：必选和可选用或操作取完整的标志位
    • mode: 八进制数，表示创建出来的文件的操作权限，最终的权限为(mode & ~umax)，umax的作用是抹去某些权限，可以进行修改。
• 关闭文件
  • 所需头文件: <unistd.h>
  • 函数原型: int close(int fd);
  • 函数参数: fd为文件标识符，通过open函数获得。
• 读文件
  • 所需头文件：<unistd.h>
  • 函数原型: ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • 函数参数:
    • fd: 文件描述符，通过open获取
    • buf: 缓冲区(需要读取的数据要存放的地址)
    • count: 指定数组的大小
• 写文件
  • 所需头文件：<unistd.h>
  • 函数原型: ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • 函数参数
    • fd: 文件描述符，通过open获取
    • buf: 缓冲区(待写入的数据存放的地址)
    • count: 指定数组的大小
  • 返回值：写入的字节数，可能小于count；如果写入失败，则返回-1并设置errno
• 移动文件指针(文件中的光标)
  • 所需头文件：<sys/types.h>、<unistd.h>
  • 函数原型: off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
  • 函数参数
    • fd: 文件描述符，通过open获取
    • offset: 偏移量
    • whence:
      • SEEK_SET: 设置文件指针偏移量
      • SEEK_CUR: 当前位置+offset的值
      • SEEK_END：文件大小+offset的值
  • 返回值：文件指针的位置

举例：

1. 将指针移到开头：lseek(fd, 0, SEEK_SET);
2. 获取当前指针位置：lseek(fd, 0, SEEK_CUR);
3. 获取文件长度：lseek(fd, 0, SEEK_END);
4. 拓展文件长度：lseek(fd, 100, SEEK_END);

• 获取文件相关的信息
  • 所需头文件：<sys/types.h>、<sys/stat.h>、<unistd.h>
  • 函数原型: int stat(const char *pathname, struct stat *statbuf);
  • 函数参数
    • pathname: 文件路径/文件名
    • statbuf：结构体，用于保存获取到的信息
• 获取软连接文件相关的信息(不是软连接指向的文件，可以理解为某个指针指向某个数组，这里求的实际是指针的大小，而上边那个则是求数组的大小)
  • 所需头文件：<sys/types.h>、<sys/stat.h>、<unistd.h>
  • 函数原型: int stat(const char *pathname, struct stat *statbuf);
  • 函数参数
    • pathname: 文件路径/文件名
    • statbuf：结构体，用于保存获取到的信息

1. 文件属性操作函数

• 判文件权限/存在
  • 所需头文件：<unistd.h>
  • 函数原型：int access(const char *pathname, int mode);
  • 函数参数：
    • pathname: 文件路径/文件名
    • mode：R_OK：是否有读权限；W_OK：是否有写权限；X_OK：是否有执行权限；F_OK：文件是否存在
• 修改文件权限
  • 所需头文件：<sys/stat.h>
  • 函数原型：int chmod(const char *pathname, mode_t mode);
  • 函数参数：
    • pathname: 所要修改的文件的文件路径/文件名
    • mode：需要修改的权限值(八位数)
• 修改文件用户id和组id
  • 所需头文件：<unistd.h>
  • 函数原型：int chown(const char *pathname, uid_t owner, gid_t group);
  • 函数参数：
    • pathname: 所要修改的文件的文件路径/文件名
    • mode：需要修改的权限值(八位数)
• 缩减或拓展文件尺寸
  • 所需头文件：<unistd.h>、<sys/stat.h>
  • 函数原型：int truncate(const char *path, off_t length);
  • 函数参数：
    • path：需要修改的文件的路径
    • length: 需要的最终大小(字节数)

1. 目录操作函数

• 创建目录
  • 所需头文件：<sys/stat.h>、<sys/types.h>
  • 函数原型：int mkdir(const char *pathname, mode_t mode);
  • 函数参数：
    • pathname：需要修改的文件的路径
    • mode: 权限，八进制数(必须要有执行权限才可打开该文件)
• 删除空文件
  • 所需头文件：<unistd.h>
  • 函数原型：int rmdir(const char *pathname);
  • 函数参数：
    • pathname：待删除空目录
• 目录重命名
  • 所需头文件：<stdio.h>
  • 函数原型：int rename(const char *oldpath, const char *newpath);
  • 函数参数：
    • path：需要修改的文件的路径
    • length: 需要的最终大小(字节数)
• 更改当前目录: 修改进程的工作目录（默认在当前的工作路径，即可执行程序所在目录）
  • 所需头文件：<unistd.h>
  • 函数原型：int chdir(const char *path);, int fchdir(int fd);
  • 函数参数：
    • path：需要修改的工作目录
• 获取当前工作
  • 所需头文件：<unistd.h>
  • 函数原型：char *getcwd(char *buf, size_t size);
  • 函数参数：
    • buf：用于保存工作路径，指向一个数组（传出参数）
    • size: 指定数组大小
  • 返回值：返回指向的一块内存，其实就是buf

1. 目录遍历函数

• 打开目录
  • 所需头文件：<sys/types.h>、<dirent.h>
  • 函数原型：DIR *opendir(const char *name);
  • 函数参数：
    • name：所要打开的目录
  • 返回值：DIR *类型，文件目录流，指向目录流中的第一个条目(可能是下一级文件目录，也可能是普通文件)，若错误则返回NULL

    fdopendir()功能类似，但是不通过目录名来打开，而是通过open()函数获取文件标识符，然后通过文件标识符fd来打开目录。但注意，不应该继续在应用中使用该fd。

• 读取目录中的数据

  • 所需头文件：<dirent.h>
  • 函数原型：struct dirent *readdir(DIR *dirp);
  • 函数参数：
    • dirp：待删除空目录，通过opendir获取
  • 返回值：struct dirent结构体指针，指向目录流中下一个目录条目，读取失败或者末尾则返回NULL。

    结构定义为：

    struct dirent {
        ino_t          d_ino;       /* 此目录进入点的inode */
        off_t          d_off;       /* 目录文件开头至此目录进入点的偏移 */
        unsigned short d_reclen;    /* d_name的长度，不包括空字符 */
        unsigned char  d_type;      /* d_name所指的文件类型 */
        char           d_name[256]; /* 文件名 */
    };
    其中文件类型包括: DT_BLK(块设备)、DT_CHR(字符设备)、DT_DIR(目录)、DT_FIFO(管道)、
    DT_LNK(软连接)、DT_REG(普通文件)、DT_SOCK(套接字)、DT_UNKNOWN(未知类型)

• 关闭目录

  • 所需头文件：<sys/types.h>、<dirent.h>
  • 函数原型：int closedir(DIR *dirp);
  • 函数参数：
    • dirp：DIR *类型，可以理解为目录流

1. 文件描述符相关函数

• 复制文件描述符：用文件描述符表中最小可用位置来拷贝目标文件描述符
  • 所需头文件: <unistd.h>
  • 函数原型: int dup(int oldfd);
  • 函数参数：oldfd为待拷贝的文件描述符
  • 返回值：成功则返回新的文件描述符，失败则返回-1并修改errno.

    复制后指向同一个文件，通过其中一个描述符关闭文件，仍然可用用另一个描述符来修改文件，即两个是独立的。

• 重定向文件描述符
  • 所需头文件: <unistd.h>
  • 函数原型: int dup2(int oldfd, int newfd);
  • 函数参数
  • 返回值

    oldfd指向a.txt, newfd指向b.txt，函数调用成功后，相当于调用了close(newfd)，并将newfd指向a.txt。注意，a.txt必须是有效的文件，并且和复制描述符一样，最后都需要对两个文件描述符进行close.

1. fcntl函数: 复制文件描述符、设置/获取文件状态标志

• 所需头文件：<unistd.h>, <fcntl.h>
• 函数原型: int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

• 函数参数:

  • fd: 文件描述符

  • cmd：表示要如何擦欧总该文件

    • F_DUPFD: 复制文件描述符, 复制的是第一个参数的fd，返回一个新的文件描述符，如：int ret = fcntl(fd, F_DUPFD);
      • 返回值：新的文件描述符
    • F_GETFL：获取指定文件的文件描述符的状态flag，获取的flag和open函数参数中的flag是一样的
      • 返回值：文件的状态flag

    • F_SET_FL：设置文件描述符状态flag

      • 必选项：O_RDONLY, O_WRONLY, or O_RDWR(不可修改)

      • 可选项：O_APPEND(追加数据), O_ASYNC, O_DIRECT, O_NOATIME, and O_NONBLOCK(设置成非阻塞)

        阻塞和非阻塞：描述的是函数调用的行为。阻塞是调用函数后进程/线程被挂起，直到得到结果后才会返回；而非阻塞则是立刻返回（但结果准确性不能保证），比如等待用户输入就是阻塞。

1. 其他

• touch xxx.xx: 创建一个xxx.xx文件
• 标准C库IO在man 3中，Linux的IO、文件相关的在man 2和man 3中