10.文件IO

从本章开始学习各种Linux系统函数，这些函数的用法必须结合Linux内核的工作原理来理解，因为系统函数正是内核提供给应用程序的接口，而要理解内核的工作原理，必须熟练掌握C语言，因为内核也是用C语言写的，我们在描述内核工作原理时必然要用“指针”、“结构体”、“链表”这些名词来组织语言，就像只有掌握了英语才能看懂英文书一样，只有学好了C语言才能看懂我描述的内核工作原理。

1.C库IO函数的工作流程

C语言操作文件相关问题:

使用fopen函数打开一个文件，返回一个FILE* fp，这个指针指向的结构体有三个重要的成员。

▶ 文件描述符: 通过文件描述可以找到文件的inode，通过inode可以找到对应的数据块

▶ 文件指针: 读和写共享一个文件指针，读或者写都会引起文件指针的变化

▶ 文件缓冲区: 读或者写会先通过文件缓冲区，主要目的是为了减少对磁盘的读写次数，提高读写磁盘的效率。

备注:

▶ 头文件stdio.h 的第48行处: typedef struct _IO_FILE FILE;

▶ 头文件libio.h 的第241行处: struct _IO_FILE，这个接头体定义中有一个_fileno成员，这个就是文件描述符

2. C库函数与系统函数的关系

系统调用: 由操作系统实现并提供给外部应用程序的编程接口，(Application Programming Interface, API)，是应用程序同系统之间数据交互的桥梁。

3.虚拟地址空间

进程的虚拟地址空间分为用户区和内核区，其中内核区是受保护的，用户是不能够对其进行读写操作的；内核区中很重要的一个就是进程管理，进程管理中有一个区域就是PCB(本质是一个结构体)；

PCB中有文件描述符表，文件描述符表中存放着打开的文件描述符，涉及到文件的IO操作都会用到这个文件描述符。

man 2 write系统调用

man 3标准C语言函数

命令行参数：

4.pcb和文件描述符表

备注:

pcb：结构体:task_stuct，该结构体在:

/usr/src/linux-headers-4.4.0-97/include/linux/sched.h:1390

一个进程有一个文件描述符表：1024

• 前三个被占用, 分别是STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO, STDERR_FILENO

• 文件描述符作用：通过文件描述符找到inode, 通过inode找到磁盘数据块.

虚拟地址空间à内核区àPCBà文件描述表à文件描述符à文件IO操作使用文件描述符

作业:

将昨天的add.c sub.c mul.c divd.c编写makefile文件生成库文件;-----makefile的名字为mathmak, 并编写main.c主程序调用库文件的makefile, 名字为mainmak.

5.文件IO

从本章开始学习各种Linux系统函数，这些函数的用法必须结合Linux内核的工作原理来理解, 因为系统函数正是内核提供给应用程序的接口, 而要理解内核的工作原理,必须熟练掌握C语言，因为内核也是用C语言写的，我们在描述内核工作原理时必然要用“指针”、“结构体”、“链表”这些名词来组织语言，就像只有掌握了英语才能看懂英文书一样，只有学好了C语言才能看懂我描述的内核工作原理。

C标准函数与系统函数的区别

什么是系统调用

由操作系统实现并提供给外部应用程序的编程接口。(Application Programming Interface，API)。是应用程序同系统之间数据交互的桥梁。

一个helloworld如何打印到屏幕。

每一个FILE文件流（标准C库函数）都有一个缓冲区buffer，默认大小8192Byte。Linux系统的IO函数默认是没有缓冲区。

open/close

文件描述符

一个进程启动之后，默认打开三个文件描述符：

#define  STDIN_FILENO     		0
#define  STDOUT_FILENO    	    1
#define  STDERR_FILENO    	    2

新打开文件返回文件描述符表中未使用的最小文件描述符，调用open函数可以打开或创建一个文件，得到一个文件描述符

open函数

█函数描述: 打开或者新建一个文件

█函数原型:

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

█函数参数：

  ▶pathname参数是要打开或创建的文件名，和fopen一样，pathname既可以是相对路径也可以是绝对路径。

  ▶flags参数有一系列常数值可供选择，可以同时选择多个常数用按位或运算符连接起来，所以这些常数的宏定义都以O_开头，表示or。

   ☆必选项:以下三个常数中必须指定一个，且仅允许指定一个。

     ●O_RDONLY 只读打开

     ●O_WRONLY 只写打开

     ●O_RDWR 可读可写打开

   ☆以下可选项可以同时指定0个或多个，和必选项按位或起来作为flags参数。可选项有很多，这里只介绍几个常用选项：

     ●O_APPEND 表示追加。如果文件已有内容，这次打开文件所写的数据附加到文件的末尾而不覆盖原来的内容。

     ●O_CREAT 若此文件不存在则创建它。使用此选项时需要提供第三个参数mode，表示该文件的访问权限。

      ☀文件最终权限：mode & ~umask

     ●O_EXCL 如果同时指定了O_CREAT，并且文件已存在,则出错返回。

     ●O_TRUNC 如果文件已存在，将其长度截断为为0字节。

     ●O_NONBLOCK 对于设备文件，以O_NONBLOCK方式打开可以做非阻塞I/O(NonblockI/O)，非阻塞I/O。

█函数返回值：

  ▶成功: 返回一个最小且未被占用的文件描述符

  ▶失败: 返回-1，并设置errno值。

close函数

█函数描述: 关闭文件

█函数原型: int close(int fd);

█函数参数: fd文件描述符

█函数返回值:

  ▶成功返回0

  ▶失败返回-1，并设置errno值。

需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。但是对于一个长年累月运行的程序(比如网络服务器)，打开的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源。

read/write

read函数

█函数描述: 从打开的设备或文件中读取数据

█函数原型: ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

█函数参数:

  ▶fd: 文件描述符

  ▶buf: 读上来的数据保存在缓冲区buf中

  ▶count: buf缓冲区存放的最大字节数

█函数返回值:

  ▶ >0：读取到的字节数

  ▶ =0：文件读取完毕

  ▶ -1： 出错，并设置errno

write

█函数描述: 向打开的设备或文件中写数据

█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

  ▶buf：缓冲区，要写入文件或设备的数据

  ▶count：buf中数据的长度

█函数返回值:

  ▶成功：返回写入的字节数

  ▶错误：返回-1并设置errno

lseek

所有打开的文件都有一个当前文件偏移量(current file offset)，以下简称为cfo。cfo通常是一个非负整数，用于表明文件开始处到文件当前位置的字节数。读写操作通常开始于 cfo，并且使 cfo 增大，增量为读写的字节数。文件被打开时，cfo 会被初始化为 0，除非使用了 O_APPEND。

使用 lseek 函数可以改变文件的 cfo。

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

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

█函数描述: 移动文件指针

█函数原型: off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

█函数参数：

  ▶ fd：文件描述符

  ▶ 参数 offset 的含义取决于参数 whence：

   ◆如果 whence 是 SEEK_SET，文件偏移量将设置为 offset。

   ◆如果 whence 是 SEEK_CUR，文件偏移量将被设置为 cfo 加上 offset，offset 可以为正也可以为负。

   ◆如果 whence 是 SEEK_END，文件偏移量将被设置为文件长度加上 offset，offset 可以为正也可以为负。

   ◆函数返回值: 若lseek成功执行, 则返回新的偏移量。

   ◆lseek函数常用操作

  ▶文件指针移动到头部

lseek(fd, 0, SEEK_SET);

  ▶ 获取文件指针当前位置

int len = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);

  ▶获取文件长度

int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);

  ▶ lseek实现文件拓展

off_t currpos;// 从文件尾部开始向后拓展1000个字节

currpos = lseek(fd, 1000, SEEK_END); // 额外执行一次写操作，否则文件无法完成拓展

write(fd, “a”, 1);    // 数据随便写

练习:

1 编写简单的IO函数读写文件的代码

2 使用lseek函数获取文件大小

3 使用lseek函数实现文件拓展

perror和errno

errno是一个全局变量，当系统调用后若出错会将errno进行设置，perror可以将errno对应的描述信息打印出来。

如:perror("open"); 如果报错的话打印: open:(空格)错误信息

练习:编写简单的例子，测试perror和errno。

阻塞和非阻塞:

思考: 阻塞和非阻塞是文件的属性还是read函数的属性?

█普通文件：hello.c

 ▶默认是非阻塞的

█终端设备：如 /dev/tty

 ▶默认阻塞

█管道和套接字

 ▶默认阻塞

练习:

1 测试普通文件是阻塞还是非阻塞的?

2 测试终端设备文件/dev/tty是阻塞还是非阻塞的。

得出结论: 阻塞和非阻塞是文件本身的属性, 不是read函数的属性.