【Linux系统编程】文件IO操作

在 Linux 的世界里，一切设备皆文件。我们可以系统调用中 I/O 的函数（I：input，输入；O：output，输出），对文件进行相应的操作（ open()、close()、write() 、read() 等）。

打开现存文件或新建文件时，系统（内核）会返回一个文件描述符，文件描述符用来指定已打开的文件。这个文件描述符相当于这个已打开文件的标号，文件描述符是非负整数，是文件的标识，操作这个文件描述符相当于操作这个描述符所指定的文件。

程序运行起来后（每个进程）都有一张文件描述符的表，标准输入、标准输出、标准错误输出设备文件被打开，对应的文件描述符 0、1、2 记录在表中。程序运行起来后这三个文件描述符是默认打开的。

#define STDIN_FILENO  0 //标准输入的文件描述符

#define STDOUT_FILENO 1 //标准输出的文件描述符

#define STDERR_FILENO 2 //标准错误的文件描述符

在程序运行起来后打开其他文件时，系统会返回文件描述符表中最小可用的文件描述符，并将此文件描述符记录在表中。Linux 中一个进程最多只能打开 NR_OPEN_DEFAULT （即1024）个文件，故当文件不再使用时应及时调用 close() 函数关闭文件。

常用 I/0 函数 需要的头文件：

#include sys/types.h

#include sys/stat.h

#include fcntl.h

#include unistd.h

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

功能：

打开文件，如果文件不存在则创建。

参数：

pathname: 文件的路径及文件名。

flags: 打开文件的行为标志，如，以只读方式（O_RDONLY，第一个为字母不是数据）打开，以读写或新建新文件的方式（O_RDWR|O_CREAT）打开。

mode: 这个参数，只有在文件不存在时有效，指新建文件时指定文件的权限（文件权限详情，请点此链接）。

返回值：

成功：成功返回打开的文件描述符

失败：-1

int close(int fd);

功能：

关闭已打开的文件

参数：

fd: 文件描述符，open()的返回值

返回值：

成功：0

失败：-1

ssize_t write(int fd, const void *addr, size_t count);

功能：

把指定数目的数据写到文件（fd）

参数：

fd: 文件描述符

addr: 数据首地址

count: 写入数据的长度（字节），一般情况下，数据有多少，就往文件里写多少，不能多也不能少

返回值：

成功：实际写入数据的字节个数

失败：-1

ssize_t read(int fd, void *addr, size_t count);

功能：

把指定数目的数据读到内存（缓冲区）

参数：

fd: 文件描述符

addr: 内存首地址

count: 读取的字节个数

返回值：

成功：实际读取到的字节个数

失败：-1

接下来，我们使用以上 4 个系统调用 I/O 函数写一个程序，能实现像系统命令 cp 的功能：

使用 open() 打开源文件，使用 read() 从文件读数据，使用 write() 向目的文件写数据，示例代码如下：

文件IO


1. 引言
大多数LInux文件IO只需用到5个函数:open read write lseek close.


2. 文件描述符
对于内核而言，所有打开文件都由文件描述符引用。文件描述符是一个非负整数。当打开一个现存文件或创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。当读、写一个文件时，
用open或create返回的文件描述符标识该文件，将其作为参数传送给read或write。
在POSIX.1应用程序中，幻数0、1、2应被代换成符号常数STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO。这些常数都定义在头文件 unistd.h 中。
每个进程运行时，系统已分配3个文件描述符(0,1,2),分别对应标准输入， 标准输出, 标准错误输出




3. 文件IO中常用的函数


3.1 open: 
打开一个文件或者设备文件, 返回一个文件描述符。当操作此文件描述符时，就是操作相应的文件或设备
int open(char *pathname,int falgs,.../*mode*/)
flags 必须指其中O_RDONLY  O_WRONLY  O_RDWR唯一项
可选项：
O_APPEND   每次写操写都将文件指针定位文件尾处
O_CREAT    如果文件不存在创建新文件
O_EXCL     如指定O_CREAT时文件存在 出错返回
O_TRUNC    必须以O_WRONL或O_RDWR进行操作,把文件清空

O_NONBLOCK 以非阻塞的方式打开 
O_NOCTTY   如果打开文件为终端设备,不将该设备分配为此进程的控制终端
O_SYNC     每次write都等到I/O操作完成，并等文件的属性更新
O_RSYNC    作为read操作等侍，直到任何对同文件部分未决的写入完成
O_DSYNC    每次write都等到I/O操作完成，不等文件的属性更
mode指定创建文件的权限
//创建一个文件，假设这个文件存在时要清空
open("文件", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0777);
fd = open("txt", O_RDONLY | O_CREAT | O_EXCL, 0644);


3.2 creat
   int creat(char *pathname,mode_t mode)
   等价于：open(char *,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode)


3.3 read
读取已经打开的文件中的数据。读了文件以后，文件描述符对应文件的offset会自动偏移。
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
从文件描述符fd指向文件里读取最大为count字节的数据放到buf指定的地址上去.
返回值: 为实际上读取的数值, 为0时读到文件尾, 为-1时错误


3.4 write
向指定的文件中写数据。成功写以后， 文件描述符的offset自动偏移
size_t  write(int fd, const void *buf, size_t count);
把在buf地址指定的数据写到fd指向的文件里，最大写count字节.
成功返回写了多少字节, -1失败。write出错的一个常见原因是：磁盘已写满，或者超过了对一个给定进程的文件长度限制。

3.5 lseek
每个打开文件都有一个与其相关联的“当前文件位移量”。它是一个非负整数，用以度量
从文件开始处计算的字节数。就是改变文件描述符的偏移位置。
off_t lseek(int fildes, off_t offset, int whence);
whence:
SEEK_SET : 把偏移量设为offset, 从文件头开始.
SEEK_CUR : 把当前偏移量加上offset的值
SEEK_END : 先从文件尾开始偏移offset的值

返回值：成功返回定位之后的文件指针偏移 失败返回 -1
返回当前文件的偏移量
off_t currpos = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);
3.7 close
把没用的文件描述符关掉，把此文件描述符重新分配.
int close(int fd);

3.8 dup
可用来复制一个现存的文件描述符.
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2(oldfd, newfd) //让newfd成为oldfd的一个副本
dup2(fd, 1); //让fd替代标准输出

int ret=dup2(old,new)
如果new 打开的，则关闭new 返回新的文件描述符 失败返回－1. du2是一个原子操作。
dup2可以用newfd参数指定新描述符的数值。如果newfd当前已经打开，则先将其关闭再做dup2操作，如果oldfd等于newfd，则dup2直接返回newfd而不用先关闭newfd再复制。

3.9 fcntl 
用于改变已打开的文件的性质 只能改变O_APPEND, O_NONBLOCK,O_ASYNC,  O_DIRECT
int fcntl(int fileds,int cmd,.../*int arg */)
第三个参数除了cmd用于记录锁时为一个结构指针之外，其余均为整数

fcntl五种功能如下:
.复制一个现有的描述符 cmd=F_DUPFD
复制的新文件描述符清掉文件描述符标志 并且共享同一个文件表项

.获得/设置文件描述符标记 cmd=F_GETFD/F_SETFD
flags = fcntl(fd, F_GETFL); //获取
fcntl(fd, F_SETFL, flags);  //设置

.获得/设置文件状态标志 cmd=F_GETFL/F_SETFL
 忽略 O_CREAT, O_EXCL, O_NOCTTY, O_TRUNC标志
 由于历史原因O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR并不各占一位,
 它们之间互斥。因此首先必须用屏蔽字O_ACCMODE 
 取得访问模式然后与这三种flags比较
 value=fcntl(fd,F_GETFL,0);
 switch(value O_ACCMODE){
case O_RDONLY :
 }

.获得/设置导步I/O所有权cmd=F_GETOWN/F_SETOWN
.获得/设置记录锁 cmd=F_GETLK F_SETLK/F_SETLKW
   
3.10 pread  pwrite  
定位文件进行读写 不影响文件指针 偏移和读写操作为原子操作

3.11 sync
   void sync(void)     
    :函数只是将所有修改过的块缓冲区排入写队列，然后就返回，并不等实际写磁盘完成
   int fsync(int fd) 
    :等待实际磁盘写操作完成，并且同步更新文件的属性，可用于数据库类型的应用程序
   int fdatasync(int fd)
    :类似于fsync，但只影响文件的数据部分不影响文件的属性
   
3.12 ioctl 
int ioctl(int fd, int request, ...);
    称之为I/O操作的垃圾箱 只要其字操函数不能或难于实现在 它都可能很容易做到
==========================================================
4. 某些系统下提供名为/dev/fd/N 等文件。打开文件/dev/fd/N 等效于复制Ｎ文件描述符(假定Ｎ描述符是打开的)
与其Ｎ共享文件表项
也有某些系统为/dev/fd/stdin   /dev/fd/stdout 等，均为同等操作

homework：
1.  实现mycopy拷贝一个文件到另外一个文件(功能相当于 cp a.txt b.txt)
2.  实现mytouch 创建一个文件(功能相当于touch a.txt)。
3.  编写一个同dup2功能相同的函数，要求不调用fcntl函数并且要有正确的出错处理。 4.  在如启用添加标志打开一文件以便读、写，能否用lseek在任一位置开始读？能否用lseek更新文件中任一部分的数据？请写一段程序以验证之。