Linux C 文件IO

文件IO

2021-05-31 12:46:14 星期一

文件描述符:是有限資源

文件描述符 POSIX名稱 用途 stdio流
0 STDIN_FILENO 標準輸入 stdin
1 STDOUT_FILENO 標準輸出 stdout
2 STDERR_FILENO 標準錯誤 stderr

基礎IO

open

#include <fcntl.h>

int open(const char *path, int oflag, mode_t mode);
  • path文件的路徑和名稱
  • flag文件的打開模式,組合使用時需要使用位運算或
    • 基本模式
      • 只讀 只寫 讀寫
        O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR
        00 01 02
    • 附加模式(只列常用)
      • O_APPEND:總是在文件末尾添加數據
      • O_EXCL:配合O_CREAT標誌
        • 表明如果文件存在則不會打開文件,並使open調用失敗,否則能夠創建並打開文件。這樣確保了調用open()的進程即為創建文件的進程.
        • 同時不允許path是符號鏈接
      • O_CREAT:沒有文件存在時會創建文件,需要mode參數指明文件權限,一共9個
      • O_TRUNC:如果文件存在為普通文件且該進程對改文件有寫權限,則清空文件內容
  • mode
    • S_IRUSR:文件所有者有讀權限
    • S_IWUSR:文件所有者有寫權限
    • S_IXUSR:文件所有者有執行權限
    • S_IRGRP:同組用戶有讀權限
    • S_IWGRP:同組用戶有寫權限
    • S_IXGRP:同組用戶有執行權限
    • S_IROTH:其他用戶有讀權限
    • S_IWOTH:其他用戶有寫權限
    • S_IXOTH:其他用戶有執行權限
  • 返迴文件描述符fd或者-1

錯誤

creat

舊版使用,新版都用open進行創建文件

read

open返回的fd文件描述符中讀取bytes位元組的數據到buf中,返回實際讀取的位元組數,不成功返回-1

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t bytes);
  • read普通文件:調用成功返回實際讀取的位元組數,遇到文件EOF時返回0,出現錯誤返回-1
  • read讀取終端,遇到\n即返回

注意:read系統調用是逐位元組讀取的,所以無法遵守C語言中的字符串的規則。比如C語言中字符串以\00x0)作為結束,但是read認為這裡的位元組值是0x0並繼續讀下去.所以使用read讀數據時,通常的方式是:每次讀取數據,再將的實際讀取到的size處設置成C語言認可的字符串結束符,即buffer[size] = '\0';

#define MAX_READ 16

char buffer[MAX_READ + 1];
ssize_t size;
size = read(fd, buffer, MAX_READ);
if (size == -1)
    exit(0);
buffer[size] = '\0';
close(fd);

一個例子

該文件從終端讀取一行(因為read讀終端時以\n作為結束)字符並打印出來,同時打印每一個字符

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

#define MAX_READ 16

int main(int argc, char **argv)
{
    char buffer[MAX_READ + 1];
    memset(buffer, 0x23, sizeof(buffer));  // fill with #
    buffer[MAX_READ] = '\0';
    
    ssize_t numRead, i;
    numRead = read(STDIN_FILENO, buffer, MAX_READ);
    if (numRead == -1)
        perror("read");

    // buffer[numRead] = '\0';
    printf("the input data was:%s\n", buffer);
    for (i = 0; buffer[i] != '\0' && i < MAX_READ; i++)
        printf("%ld->%x\n", i, buffer[i]);
    return 0;
}
$ ./4.4
abcd
the input data was:abcd
############
0->61
1->62
2->63
3->64
4->a
5->23
6->23
...
16->0

由此可見read只是以二進制的形式照搬數據,並不對數據進行處理,因此,對數據的處理留給了程序員

write

bytes位元組的buf數據寫到open返回的fd文件描述符所指的文件中,返回實際寫的位元組數,不成功返回-1寫入已打開的文件。調用成功並不代表已經寫入磁盤,可能先進入緩存(這樣減少磁盤活動量、加快write調用)。

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, void *buf, size_t bytes);

close

#include <unistd.h>

int close (int fd);

close函數也有錯誤處理,編程時也應該錯誤檢查。

lseek

內核打開的文件時會記錄文件偏移量,第一位元組的偏移量為0,文件打開時,會將偏移量設置為0

十分重要:有時候讀文件讀不出來,可能就是因為文件偏移量在文件末尾處,這時候需要重置

#include <unistd.h>

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
  • fd文件描述符
  • offset表示偏移量
    • 正值為正向移動,向繼續往下讀的方向
  • wherece表示文件讀寫指針從哪裡開始計數
    • SEEK_SET表示起始位置
    • SEEK_CUR表示當前位置
    • SEEK_END表示末尾位置的後一個位元組(這裡直接寫數據的話是恰好和文件連接)
  • 返回新的文件偏移量或-1(執行失敗)

文件空洞

從文件結尾後到新寫入的數據間的空間,他不佔用磁盤空間,直到寫入了數據。這時文件的名義的大小可能比磁盤存儲的總量大。具體的在14節

ls -l file        查看文件邏輯大小

du -c file     查看文件實際佔用的存儲塊多少

od -c file     查看文件存儲的內容

unlink刪除

只是刪除path到文件的一個鏈接,其文件對於的i-node減1,為0時,改文件才從磁盤刪除。

#include <unistd.h>

int unlink(const char *path);

iotcl

文件和目錄

目錄是另一種文件,只是內容是包含的文件信息和目錄信息。

鏈接

每一個文件對應一個inode,文件的鏈接數對應inode中的鏈接數,記錄著這個文件的鏈接數值,即指向該inode的文件數,文件和inode是多對一的關係。本質上rm指令調用系統調用unlink函數,將這個文件的inode的鏈接數-1,為0時才真正刪除

  • 硬鏈接
    • 相鏈接的文件總是同步
  • 軟鏈接
    • 理解為Windows的快捷方式
$ touch a.txt
$ echo "hello" > a.txt

$ ls -li
total 4
2104443 -rw-rw-r-- 1 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt
# inode編號 文件權限 用戶 組用戶 不知道 創建月 日 時 文件名
$ ln a.txt a.txt.bak  # 建立硬鏈接
$ ls -li
total 8
2104443 -rw-rw-r-- 2 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt
2104443 -rw-rw-r-- 2 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt.bak

$ ln -s a.txt a.txt.s  # 建立軟鏈接
$ ls -li
total 8
2104443 -rw-rw-r-- 2 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt
2104443 -rw-rw-r-- 2 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt.bak
2099642 lrwxrwxrwx 1 dwr dwr 5 Apr 10 22:25 a.txt.s -> a.txt
#include <unistd.h>

int link(const char *__from, const char *__to);
int symlink(const char *__from, const char *__to);

錯誤打印

perror

<errno.h>

根據設置的errno值打印對應的錯誤信息,打印規則是先打印s中用戶定義的錯誤輸出,在打印系統調用錯誤的輸出提示。一定要在系統調用之後緊跟打印,否則會被覆蓋

void perror(const char *s);

strerror

將錯誤代碼轉換為字符串錯誤信息。

char *strerror(int errno);

原子IO

fcntl

#include <fcntl.h>

int fcntl(int __fd, int __cmd, ...)

文件IO緩衝

這裡是Unix系統編程手冊第13章內容,不全待完善

read()write()系統調用在操作磁盤文件時不會直接發起磁盤訪問,而是僅僅在用戶空間緩衝區與內核緩衝區高速緩存(kernel buffer cache)之間複製數據。write()在後續某個時刻,內核會將其緩衝區中的數據寫入(刷新至)磁盤。

Linux 內核對緩衝區高速緩存的大小沒有固定上限。內核會分配儘可能多的緩衝區高速緩存頁,而僅受限於兩個因素;可用的物理內存總量,以及出於其他目的對物理內存的需求(例如,需要將正在運行進程的文本和數據頁保留在物理內存中)。若可用內存不足,則內核會將

解釋一下書中對IO系統調用的實驗:

  • 總用時=CPU用時+磁盤讀寫用時
  • CPU用時=用戶CPU用時(用戶模式下執行的代碼)+系統CPU用時(內核模式(系統調用和數據在用戶和內核模式下傳輸)下執行的代碼)

stdio的緩衝

C語言中IO函數可以理解為系統IO調用+數據緩衝,免於編寫者自己處理對數據的緩衝

int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int modes, size_t n)

控制stdio庫函數的緩衝形式,需要最先調用,之後的stdio操作才有效

  • stream
    • 表示配置緩衝的文件流
  • buf
    • 不為空則使用size大小作為緩衝區(這個buf空間應該是堆內存上,避免函數調用和返回對棧進行修改)
    • 為空則自動分配(根據mode選擇是否分配)size大小空間
  • modes
    • _IONBF:not,不緩衝,每一次調用stdio函數都立即調用系統調用
    • _IOLBF:line,行緩衝,遇到換行符或緩衝區滿則調用系統調用,指向終端設備的流默認使用該模式
    • _IOFBF:file,全緩衝,指向磁盤的流默認使用該模式
  • 出錯返回非0,成功返回0
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