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Linux系统编程-文件相关操作使用详解

时间：2024-07-09 22:28:52浏览次数：16  
标签：printf 文件 编程 描述符 详解 fd file Linux close

1.文件描述符

文件描述符（File Descriptor）是操作系统中用于访问和操作文件或输入输出资源的一个抽象指针。它是一个非负整数，标识一个已经打开的文件或输入输出资源（如管道、网络连接等）。在UNIX和类UNIX系统（如Linux）中，文件描述符是非常重要的概念，用于文件操作、进程间通信、网络编程等多个方面。

文件描述符的基本概念

  1. 文件描述符的类型：

    • 标准输入（Standard Input）: 文件描述符为0，通常与键盘关联，用于从用户处读取输入。
    • 标准输出（Standard Output）: 文件描述符为1，通常与屏幕关联，用于向用户显示输出。
    • 标准错误（Standard Error）: 文件描述符为2，通常也与屏幕关联，用于显示错误信息。

  2. 文件描述符的作用：

    • 文件操作: 文件描述符用于读取、写入文件和控制文件状态。常用的系统调用如 open(), read(), write(), close() 等都使用文件描述符。
    • 进程间通信: 通过管道（pipe）或命名管道（FIFO）等机制，文件描述符用于在进程间传递数据。
    • 网络编程: 套接字（socket）也被视为文件，文件描述符用于处理网络连接。

2.对文件描述符的操作

1.打开和关闭文件

1.open()

open() 会打开一个文件 （可能创建文件），并返回一个新的文件描述符。 
原型1：
int open(const char *pathname, int flags);
pathname: 文件路径。
flags: 文件打开的标志，如 O_RDONLY（只读），O_WRONLY（只写），O_RDWR（读写），O_CREAT（如果文件不存在则创建），O_EXCL（与 O_CREAT 一起使用，如果文件已存在则失败）。
原型2：
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
mode: 文件权限（仅在创建文件时使用），如 S_IRUSR（用户读权限），S_IWUSR（用户写权限）。

2.close()

close() 系统调用用于关闭一个文件描述符，使其不再指向任何文件，并释放相关资源。

int close(int fd);
fd: 文件描述符。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd;
    const char *filepath = "example.txt";

    // 尝试打开文件
    fd = open(filepath, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        // 打开文件失败，打印错误信息并退出
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }
    printf("File opened successfully.\n");

    // 关闭文件
    if (close(fd) == -1) {
        // 关闭文件失败，打印错误信息
        perror("Failed to close file");
        return 1;
    }
    printf("File closed successfully.\n");

    return 0;
}

2.读写文件

在Linux系统编程中，read() 和 write() 系统调用用于文件的读写操作。这些调用操作文件描述符，并在底层实现文件内容的读取和写入。

1.read()

原型
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
参数：
fd: 文件描述符，表示要读取的文件。
buf: 缓冲区指针，用于存储读取的数据。
count: 需要读取的字节数。
返回值：
成功时返回读取的字节数，返回值为0表示已到达文件末尾。
失败时返回-1，并设置 errno。

2.write()

原型：
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数：
fd: 文件描述符，表示要写入的文件。
buf: 缓冲区指针，包含要写入的数据。
count: 需要写入的字节数。
返回值：
成功时返回写入的字节数。
失败时返回-1，并设置 errno。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int source_fd, dest_fd;
    ssize_t bytes_read, bytes_written;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 打开源文件 example.txt 以只读方式
    source_fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (source_fd == -1) {
        perror("Failed to open source file");
        return 1;
    }
    printf("Source file opened successfully.\n");

    // 创建并打开目标文件 copy.txt 以只写方式，如果不存在则创建
    // 文件权限使用数字形式指定：0600 表示用户读写权限
    dest_fd = open("copy.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0600);
    if (dest_fd == -1) {
        perror("Failed to open destination file");
        close(source_fd);
        return 1;
    }
    printf("Destination file opened successfully.\n");

    // 从源文件读取内容并写入目标文件
    while ((bytes_read = read(source_fd, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0) {
        bytes_written = write(dest_fd, buffer, bytes_read);
        if (bytes_written != bytes_read) {
            perror("Failed to write to destination file");
            close(source_fd);
            close(dest_fd);
            return 1;
        }
    }

    if (bytes_read == -1) {
        perror("Failed to read from source file");
    } else {
        printf("File copy completed successfully.\n");
    }

    // 关闭文件
    if (close(source_fd) == -1) {
        perror("Failed to close source file");
        return 1;
    }
    printf("Source file closed successfully.\n");

    if (close(dest_fd) == -1) {
        perror("Failed to close destination file");
        return 1;
    }
    printf("Destination file closed successfully.\n");

    return 0;
}

3.文件定位

1.lseek()

lseek() 系统调用用于移动文件描述符的读写位置。它允许程序在文件中任意移动读写位置，而不仅仅是顺序读写。

原型：
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
参数：
fd: 文件描述符，表示要操作的文件。
offset: 偏移量，表示从 whence 开始的偏移字节数。
whence: 定位基准，决定偏移量的参考位置。可以是以下值之一：
SEEK_SET: 文件开头
SEEK_CUR: 当前位置
SEEK_END: 文件末尾
返回值：
成功时返回新的文件偏移量（以字节为单位）。
失败时返回 -1，并设置 errno。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd;
    off_t offset;
    const char *filepath = "example.txt";
    char buffer[20];

    // 打开文件 example.txt 以读写方式
    fd = open(filepath, O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }
    printf("File opened successfully.\n");

    // 将文件偏移量移动到文件开头的第10个字节处
    offset = lseek(fd, 10, SEEK_SET);
    if (offset == -1) {
        perror("Failed to lseek");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("File offset moved to: %ld\n", (long)offset);

    // 从新的偏移位置读取数据
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (bytes_read == -1) {
        perror("Failed to read file");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 确保缓冲区以null字符结束
    buffer[bytes_read] = '\0';
    printf("Read data: %s\n", buffer);

    // 将文件偏移量移动到文件末尾再向前移动10个字节
    offset = lseek(fd, -10, SEEK_END);
    if (offset == -1) {
        perror("Failed to lseek");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("File offset moved to: %ld\n", (long)offset);

    // 写入新数据到新的偏移位置
    const char *new_data = "New Data";
    ssize_t bytes_written = write(fd, new_data, strlen(new_data));
    if (bytes_written == -1) {
        perror("Failed to write file");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("Wrote %ld bytes: %s\n", (long)bytes_written, new_data);

    // 关闭文件
    if (close(fd) == -1) {
        perror("Failed to close file");
        return 1;
    }
    printf("File closed successfully.\n");

    return 0;
}

4.文件系统同步

1.fsync()

fsync() 用于将指定文件描述符的所有修改数据同步到存储设备上。它确保文件内容和元数据（如文件权限、修改时间等）被写入磁盘。

原型：
int fsync(int fd);
参数：
fd: 文件描述符。
返回值：
成功时返回0。
失败时返回-1，并设置 errno。

2.fdatasync()

fdatasync() 类似于 fsync()，但只保证文件内容（数据）同步到存储设备上，不包括文件元数据的同步（除非元数据对文件内容的写入有影响）。

原型：
int fdatasync(int fd);
参数：
fd: 文件描述符。
返回值：
成功时返回0。
失败时返回-1，并设置 errno.

3.ftruncate()

ftruncate() 用于将指定文件描述符的文件大小截断为指定长度。如果文件比新长度短，则扩展文件；如果文件比新长度长，则截断文件。

原型：
int ftruncate(int fd, off_t length);
参数：
fd: 文件描述符。
length: 新的文件大小（字节数）。
返回值：
成功时返回0。
失败时返回-1，并设置 errno。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define FILE_PATH "example.txt"

int main() {
    int fd;
    const char *data = "Hello, World!";
    ssize_t bytes_written;

    // 打开文件 example.txt 以读写方式，如果不存在则创建
    fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }
    printf("File opened successfully.\n");

    // 写入数据到文件
    bytes_written = write(fd, data, strlen(data));
    if (bytes_written == -1) {
        perror("Failed to write to file");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("Wrote %ld bytes to the file.\n", (long)bytes_written);

    // 使用 fsync() 同步文件数据和元数据
    if (fsync(fd) == -1) {
        perror("Failed to fsync file");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("File data and metadata synchronized using fsync().\n");

    // 截断文件到 5 个字节
    if (ftruncate(fd, 5) == -1) {
        perror("Failed to truncate file");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("File truncated to 5 bytes.\n");

    // 使用 fdatasync() 同步文件数据
    if (fdatasync(fd) == -1) {
        perror("Failed to fdatasync file");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("File data synchronized using fdatasync().\n");

    // 关闭文件
    if (close(fd) == -1) {
        perror("Failed to close file");
        return 1;
    }
    printf("File closed successfully.\n");

    return 0;
}

5.文件状态

1.fstat()

fstat() 系统调用用于获取与文件描述符关联的文件的状态信息。该系统调用返回文件的各种属性，包括文件大小、权限、最后访问时间等。

原型：
int fstat(int fd, struct stat *statbuf);
参数：
fd: 文件描述符，表示要获取状态信息的文件。
statbuf: 指向 stat 结构体的指针，该结构体用于存储文件的状态信息。
返回值：
成功时返回0。
失败时返回-1，并设置 errno。

stat 结构体

stat 结构体定义在 <sys/stat.h> 头文件中，包含许多字段，以下是一些常用字段：

struct stat {
    dev_t     st_dev;     // 文件所在设备的ID
    ino_t     st_ino;     // inode号
    mode_t    st_mode;    // 文件类型和权限
    nlink_t   st_nlink;   // 硬链接数
    uid_t     st_uid;     // 所有者的用户ID
    gid_t     st_gid;     // 所有者的组ID
    dev_t     st_rdev;    // 设备ID（如果是特殊文件）
    off_t     st_size;    // 文件大小（以字节为单位）
    blksize_t st_blksize; // 文件系统I/O块大小
    blkcnt_t  st_blocks;  // 分配的块数
    time_t    st_atime;   // 最后访问时间
    time_t    st_mtime;   // 最后修改时间
    time_t    st_ctime;   // 最后状态改变时间
};

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>

int main() {
    int fd;
    struct stat statbuf;
    const char *filepath = "example.txt";

    // 打开文件 example.txt 以只读方式
    fd = open(filepath, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }
    printf("File opened successfully.\n");

    // 获取文件状态
    if (fstat(fd, &statbuf) == -1) {
        perror("Failed to get file status");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 打印文件状态信息
    printf("File size: %ld bytes\n", statbuf.st_size);
    printf("Number of blocks allocated: %ld\n", statbuf.st_blocks);
    printf("Block size: %ld bytes\n", statbuf.st_blksize);
    printf("File type and mode: %o\n", statbuf.st_mode);
    printf("Number of hard links: %ld\n", statbuf.st_nlink);
    printf("Owner UID: %d\n", statbuf.st_uid);
    printf("Owner GID: %d\n", statbuf.st_gid);
    printf("Last access time: %s", ctime(&statbuf.st_atime));
    printf("Last modification time: %s", ctime(&statbuf.st_mtime));
    printf("Last status change time: %s", ctime(&statbuf.st_ctime));

    // 关闭文件
    if (close(fd) == -1) {
        perror("Failed to close file");
        return 1;
    }
    printf("File closed successfully.\n");

    return 0;
}

6.文件描述符复制

dup() 和 dup2() 是用于复制文件描述符的系统调用。在Unix和类Unix操作系统中，这些调用用于创建一个新的文件描述符，该描述符指向与原始文件描述符相同的文件表项。

1.dup()

原型：
int dup(int oldfd);
参数：
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。
失败时返回 -1，并设置 errno。

2.dup2()

原型：
int dup2(int oldfd, int newfd);
参数：
oldfd: 要复制的文件描述符。
newfd: 新的文件描述符。如果 newfd 已经被打开，它将首先被关闭。如果 oldfd 和 newfd 相同，则 dup2() 什么也不做，直接返回 newfd。
返回值：
成功时返回 newfd。
失败时返回 -1，并设置 errno。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd, new_fd, new_fd2;
    const char *filepath = "example.txt";
    const char *data = "Hello, World!";
    ssize_t bytes_written;

    // 打开文件 example.txt 以读写方式，如果不存在则创建
    fd = open(filepath, O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }
    printf("File opened successfully with file descriptor %d.\n", fd);

    // 使用 dup() 复制文件描述符
    new_fd = dup(fd);
    if (new_fd == -1) {
        perror("Failed to duplicate file descriptor");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("File descriptor %d duplicated to %d using dup().\n", fd, new_fd);

    // 使用 dup2() 复制文件描述符到指定的描述符 5
    new_fd2 = dup2(fd, 5);
    if (new_fd2 == -1) {
        perror("Failed to duplicate file descriptor to 5");
        close(fd);
        close(new_fd);
        return 1;
    }
    printf("File descriptor %d duplicated to %d using dup2().\n", fd, new_fd2);

    // 使用新的文件描述符写入数据到文件
    bytes_written = write(new_fd, data, strlen(data));
    if (bytes_written == -1) {
        perror("Failed to write to file using new file descriptor");
        close(fd);
        close(new_fd);
        close(new_fd2);
        return 1;
    }
    printf("Wrote %ld bytes to the file using duplicated file descriptor %d.\n", (long)bytes_written, new_fd);

    // 关闭文件描述符
    if (close(fd) == -1) {
        perror("Failed to close original file descriptor");
        return 1;
    }
    printf("Original file descriptor %d closed successfully.\n", fd);

    if (close(new_fd) == -1) {
        perror("Failed to close duplicated file descriptor");
        return 1;
    }
    printf("Duplicated file descriptor %d closed successfully.\n", new_fd);

    if (close(new_fd2) == -1) {
        perror("Failed to close second duplicated file descriptor");
        return 1;
    }
    printf("Second duplicated file descriptor %d closed successfully.\n", new_fd2);

    return 0;
}

7.文件控制

1.fcntl()

fcntl() 系统调用用于控制文件描述符的一些属性和行为。它提供了多种操作，包括复制文件描述符、获取/设置文件描述符标志、文件状态标志等。

原型：
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
参数：
fd: 文件描述符。
cmd: 控制命令，不同的命令要求不同的第三个参数（arg）。
F_DUPFD: 复制文件描述符。
F_GETFD: 获取文件描述符标志。
F_SETFD: 设置文件描述符标志。
F_GETFL: 获取文件状态标志。
F_SETFL: 设置文件状态标志。
F_GETLK, F_SETLK, F_SETLKW: 文件加锁操作。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd, new_fd, flags;
    const char *filepath = "example.txt";
    const char *data = "Hello, World!";
    ssize_t bytes_written;

    // 打开文件 example.txt 以读写方式，如果不存在则创建
    fd = open(filepath, O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }
    printf("File opened successfully with file descriptor %d.\n", fd);

    // 使用 fcntl() 复制文件描述符
    new_fd = fcntl(fd, F_DUPFD, 0);
    if (new_fd == -1) {
        perror("Failed to duplicate file descriptor");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("File descriptor %d duplicated to %d using fcntl().\n", fd, new_fd);

    // 使用 fcntl() 获取文件状态标志
    flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (flags == -1) {
        perror("Failed to get file status flags");
        close(fd);
        close(new_fd);
        return 1;
    }
    printf("File status flags: %d\n", flags);

    // 添加非阻塞标志并设置回文件状态标志
    flags |= O_NONBLOCK;
    if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) == -1) {
        perror("Failed to set file status flags");
        close(fd);
        close(new_fd);
        return 1;
    }
    printf("File status flags set to: %d\n", flags);

    // 使用新的文件描述符写入数据到文件
    bytes_written = write(new_fd, data, strlen(data));
    if (bytes_written == -1) {
        perror("Failed to write to file using new file descriptor");
        close(fd);
        close(new_fd);
        return 1;
    }
    printf("Wrote %ld bytes to the file using duplicated file descriptor %d.\n", (long)bytes_written, new_fd);

    // 关闭文件描述符
    if (close(fd) == -1) {
        perror("Failed to close original file descriptor");
        return 1;
    }
    printf("Original file descriptor %d closed successfully.\n", fd);

    if (close(new_fd) == -1) {
        perror("Failed to close duplicated file descriptor");
        return 1;
    }
    printf("Duplicated file descriptor %d closed successfully.\n", new_fd);

    return 0;
}

标签：printf,文件,编程,描述符,详解,fd,file,Linux,close
From： https://blog.csdn.net/qq_42037383/article/details/140305938

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