Linux程序开发 - 文件操作

2015/08/20 共 1567 字 4 分钟阅读
DEVELOPMENT • LINUX linux-programming linux

AI 摘要: 本文介绍了文件操作相关的内容，包括文件和设备、系统调用、库函数、底层文件访问等。在Linux中，一切皆文件，包括目录文件和普通文件。文件和设备可以通过系统调用进行操作，如打开、读取、写入、关闭等。底层文件访问可以通过文件描述符和系统调用实现。此外，还介绍了库函数的作用和底层系统调用的问题。最后，还提到了执行时间的概念。

文件操作：

文件和设备
系统调用
库函数
底层文件访问
管理文件
标准 IO 库
格式化输入和输出
文件和目录的维护
扫描目录
错误及其处理
/proc 文件系统
高级主题：fcntl 和 nmap

Linux 文件结构

在 linux 中，一切皆文件

文件和设备

在 linux 中，硬件设备通常也被映射成文件(/dev/hdc),比较重要的设备文件：

/dev/console
/dev/tty
dev/null (cp /dev/null empty_files)

设备分为字符设备和块设备，区别在于是否一次读取一块内容

系统调用和设备驱动程序

系统调用：linux 提供少量函数，可以直接对文件和设备进行访问和控制，这些函数被称为系统调用，这些也是操作系统本身的接口。

open：打开文件或设备
read：从打开的文件或设备中读取数据
write：向打开的文件或设备中写入数据
close：关闭打开的文件或设备
ioctl: 把控制信息传递给设备驱动程序（磁带的回绕、串行口的流控等）

系统内核：操作系统的一组设备驱动程序

库函数

直接底层系统调用的问题效率很低：

使用系统调用会影响系统的性能（系统调用过程，Linux 需要从用户代码->内核代码->用户代码这样的执行顺序，需要尽量减少系统调用的次数，一次多读写一些内容，库函数就是解决这块的）
硬件会现在对底层系统调用一次可以读取的数据块大小（磁带一次可以读 10k）

库函数：有函数构成的集合，为了给设备和磁盘文件提供更高层的接口，比如提供输出 Buffer 的标准 I/O 库，极大降低系统调用的开销。

关系：用户空间（用户程序+库函数） <=> 内核空间（系统调用+内核+设备驱动程序）<=> 硬件设备

底层文件访问

运行的程序（process），与之关联的文件描述符，小值整数；通过文件描述符访问打开的文件或设备，文件描述符和系统配置相关，ulmit。一个程序运行，通常已有三个打开的文件描述符：0：标准输入 1：标准输出 2：标准错误

write 系统调用

系统调用 write：把缓冲区 buf 的前 n 个字节写入文件描述符 fildes 关联的文件中，返回实际写入的字节数，其他返回值（0：为写入 -1：写入失败，错误在 errno 全局变量中） size_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbytes)

read 系统调用

系统调用 read：从文件描述符读入 n 字节数据，放入到数据区 buf，返回实际读入的字节数，返回值（0：未读入 -1：读入失败，errno） size_t read(int fildes, void *buf, size_t nbytes);

open 系统调用

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int open(const char *path, int oflags);
int open(const char *path, int oflags, mode_t mode);

调用成功，返回一个可以被 RW 的文件描述符，具有唯一性（两个程序同时打开一个文件，也是得到两个文件描述符）；两个同时写，会各写各的，分别接着上次离开的位置继续往下写，数据不会交织在一起，而是会出现彼此覆盖。可以基于锁功能来防止出现冲突。

oflags: 文件访问模式|可选模式的组合

O_RDONLY: 只读
O_WRONLY：只写
O_RDWR：读写

可选模式：

O_APPEND：追加数据
O_TRUNC：清空内容
O_CREAT：按参数 mode 创建文件
O_EXCL：排除其他操作，防止同时打开两个文件描述符（原子打开）

访问权限的初始值 open 打开文件时候，如果基于创建文件 O_CREATE，可以传递第三个访问权限的初始化设置（UGO\RWX),这些标识在 sys/stat.h 中定义：

S_IRUSR、S_IWUSR、S_IXUSR
S_IRGRP、S_IWGRP、S_IXGRP
S_IROTH、S_IWOTH、S_IXOTH

属主用户只读、其他用户可执行方式开 a.file open ("a.file", O_CREATE, S_IRUSR|S_IXOTH)

umask 相关：实际打开的文件权限：umask 值求反 & 文件打开的 mode

create 系统调用

等同于`int open(const char *path, O_CREATE|O_WRONLY|O_TRUNC)，打开的文件数，与系统 limits.h 相关，有个 OPEN_MAX 参数限制

close 系统调用

终止文件描述符与其对应的文件直接的关联，释放文件描述符，返回值（0：成功，-1：出错）

int close(int fildes);

ioctl 系统调用

提供用于控制设备及其描述符行为和配置底层服务的接口。终端、文件描述符、套接字、磁带机都有它们定义的 ioctl。POSIX 规范只定义了 STREAM 的 ioctl 调用

int ioctl(int fildes, int cmd, ...);

lseek 系统调用

对文件描述符读写指针进行设置，返回值（偏移量，-1：失败）

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

whence 取值，在 sys/types.h 中：

SEEK_SET: offset 是绝对位置
SEEK_CUR: offset 是相对于当前位置的相对位置
SEEK_END: offset 是相对于文件尾部的一个位置

fstat、stat、lstat 系统调用

fstat：返回与文件描述符相关的文件的装填信息，写入到 buf 中
stat: 基于文件名查到信息
lstat: 当文件为链接文件时候，仅返回链接文件信息

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    int fstat(int fildes, struct stat *buf);
    int stat(const char *path, struct stat *buf);
    int lstat(const char *path, struct stat *buf);

stat 结构：

st_mode: 文件权限和类型信息
st_ino: inode
st_dev: 保存文件的设备
st_uid、st_gid：文件属主的 uid、gid
st_actime: 上次访问时间
st_ctime: 创建时间
st_mtime: 上次修改时间
st_nlink: 文件的硬链接数量

stat 结构还包含 st_mode 相关信息（宏在 sys/sata.h 定义），包括对访问权限、文件类型标志、提供测试特定类型和权限的定义。

dup 和 dup2 系统调用

dup: 复制文件描述符，返回一个新的描述符
dup2: 明确的复制文件描述符 1 为指定的描述符 2

管道在多进程之间通信，dup 这块很有用

其他内容

执行时间： TIMEFORMAT="" time ./program