Linux系統(tǒng)中的函數(shù)文件操作教程

2014年辛星linux筆記第二本：李明視頻

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文件是linux中的一個(gè)重要概念。在Linux中，一切（幾乎一切）都是文件。簡(jiǎn)單的說，C中基本的的printf（）函數(shù)，scanf（）函數(shù)，其實(shí)都屬于文件操作。

對(duì)于文件操作，雖然都是通過函數(shù)調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)，卻還是能分為兩類：系統(tǒng)調(diào)用和庫(kù)函數(shù)。

這篇文章將先介紹ｌｉｎｕｘ中文件的概念，系統(tǒng)調(diào)用和庫(kù)函數(shù)的概念 ，然后具體的討論兩種方式下的文件操作。

博文的主要內(nèi)容如下：

Linux 中的文件

文件訪問－庫(kù)函數(shù)

文件訪問－系統(tǒng)調(diào)用

庫(kù)函數(shù)

標(biāo)準(zhǔn) I/O 庫(kù)

／proc文件系統(tǒng)

1 Linux中的文件

1.1概念

按照普通的定義，文件不過是一堆數(shù)據(jù)，在往下說，就是存儲(chǔ)器中的０１０１。。。而我們這里討論的文件有了更廣的定義。對(duì)于Ｌｉｎｕｘ中的文件，我的理解是：

Ｌｉｎｕｘ中的文件具有的特點(diǎn)是：可通過操作系統(tǒng)或者程序?qū)ν馓峁┬畔�，也能�?duì)內(nèi)輸入信息，可以被創(chuàng)建，刪除。

Ｌinux中，文件有特別重要的意義，他們?yōu)椴僮飨到y(tǒng)和設(shè)備提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而統(tǒng)一的接口。在Ｌｉｎｕｘ中，幾乎一切都可以看做是文件 。

這就意味著，普通程序完全可以像使用文件（普通定義）那樣使用磁盤文件、串行口、打印機(jī)和其他設(shè)備。

硬件設(shè)備在linux操作系統(tǒng)中也被表示為文件。例如，可以通過如下命令把cd-rom驅(qū)動(dòng)器掛載為一個(gè)文件，

#mount -t iso9660 /dev/hdc /mnt/cdrom

#cd /mnt/rom

然后，就能像訪問普通文件那樣在ｃｄ－ｒｏｍ目錄中漫游。

1.2操作

和操作一般意義上的文件一樣，linux中對(duì)文件的操作只需要五個(gè)基本的函數(shù)：

open、close、read、write和ioctl

通過調(diào)用這幾個(gè)函數(shù)就能對(duì)ｌｉｎｕｘ中的文件進(jìn)行讀、寫等操作。不過，這種操作又分為系統(tǒng)調(diào)用和庫(kù)函數(shù)調(diào)用。簡(jiǎn)單的說，系統(tǒng)調(diào)用是最直接的方式，

庫(kù)函數(shù)調(diào)用最終也是通過系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)的�？烧J(rèn)為庫(kù)函數(shù)調(diào)用是對(duì)系統(tǒng)調(diào)出于效率考慮而做出的優(yōu)化。

庫(kù)函數(shù)調(diào)用和系統(tǒng)調(diào)用的區(qū)別和聯(lián)系請(qǐng)參看：linux系統(tǒng)調(diào)用和庫(kù)函數(shù)調(diào)用的區(qū)別

我們用很少的函數(shù)就可以對(duì)文件和設(shè)備進(jìn)行訪問和控制。這些函數(shù)就是所謂的系統(tǒng)調(diào)用，由操作系統(tǒng)直接提供，他們是通向操作系統(tǒng)本身的接口。

操作系統(tǒng)的核心部分，既內(nèi)核，其實(shí)就是一組設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這是一些對(duì)硬件進(jìn)行控制的接口。

2 文件訪問－系統(tǒng)調(diào)用

通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問文件是最直接的方式。系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)直接作用于操作系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序從而實(shí)現(xiàn)文件訪問。

2.1 文件描述符

在系統(tǒng)中需要處理的文件（讀、寫操作）需要一個(gè)標(biāo)識(shí)，以便在其它地方能識(shí)別出這個(gè)文件，于是就產(chǎn)生了文件描述符。文件描述符是一些小值整數(shù)，簡(jiǎn)單的說就是

一個(gè)文件ＩＤ用于在系統(tǒng)中唯一的標(biāo)識(shí)文件。文件描述符的總數(shù)也就是系統(tǒng)可以打開文件的最多個(gè)數(shù)，這取決于系統(tǒng)的配置情況。

當(dāng)開始運(yùn)行程序時(shí)，也就是系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，它一般會(huì)有三個(gè)已經(jīng)打開的文件描述符。他們是：

０：標(biāo)準(zhǔn)輸入

１：標(biāo)準(zhǔn)輸出

２：標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤

其它文件的文件描述符，在調(diào)用文件打開函數(shù)ｏｐｅｎ時(shí)返回。這就是說，每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)著一個(gè)文件描述符。文件描述符由操作系統(tǒng)分配，每次分配最小的。

2.2 write系統(tǒng)調(diào)用

write，就是把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入文件中。注意，這里的文件時(shí)廣泛意義的文件，比如寫入磁盤、寫入打印機(jī)等等。

Linux 中write（）的函數(shù)原型：

size_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbytes);

參數(shù)說明：

fildes：文件描述符，標(biāo)識(shí)了要寫入的目標(biāo)文件。例如:fildes的值為1，就像標(biāo)準(zhǔn)輸出寫數(shù)據(jù)，也就是在顯示屏上顯示數(shù)據(jù)；如果為 2 ，則想標(biāo)注錯(cuò)誤寫數(shù)據(jù)。

*buf：待寫入的文件，是一個(gè)字符串指針。

nbytes：要寫入的字符數(shù)。

函數(shù)返回值：size_t  返回成功寫入文件的字符數(shù)。需要指出的是，write可能會(huì)報(bào)告說他寫入的字節(jié)比你所要求的少。這并不一定是個(gè)錯(cuò)誤。在程序中，你需要檢查

error已發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，然后再次調(diào)用write寫入剩余的數(shù)據(jù)。

請(qǐng)看下面的例子：

運(yùn)行結(jié)果：

這個(gè)程序只在標(biāo)準(zhǔn)輸出上顯示一條消息。

read系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用read是從文件中讀出數(shù)據(jù)。要讀取的文件用文件描述符標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)讀入一個(gè)事先定義好的緩沖區(qū)。他返回實(shí)際讀入的字節(jié)數(shù)。

Linux中read的函數(shù)原型：

size_t read(int fildes, void *buf, size_t nbytes);

參數(shù)說明：

fildes：文件描述符，標(biāo)識(shí)要讀取的文件。如果為0，則從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀數(shù)據(jù)。類似于scanf（）的功能。

*buf：緩沖區(qū)，用來存儲(chǔ)讀入的數(shù)據(jù)。

nbytes：要讀取的字符數(shù)。

返回值：size_t返回成功讀取的字符數(shù)，它可能會(huì)小于請(qǐng)求的字節(jié)數(shù)。

運(yùn)行結(jié)果：

open系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用open的作用是打開一個(gè)文件，并返回這個(gè)文件的描述符。

簡(jiǎn)單地說，open建立了一條到文件或設(shè)備的訪問路徑。如果操作成功，它將返回一個(gè)文件描述符，read和write等系統(tǒng)調(diào)用使用該文件描述符對(duì)文件或

設(shè)備進(jìn)行操作。這個(gè)文件描述符是唯一的，他不會(huì)和任何其他運(yùn)行中的進(jìn)程共享。如果兩個(gè)程序同時(shí)打開一個(gè)文件，會(huì)得到兩個(gè)不同的問價(jià)描述符。如果

同時(shí)對(duì)兩個(gè)文件進(jìn)行操作，他們各自操作，互補(bǔ)影響，彼此相互覆蓋（后寫入的覆蓋先寫入的）為了防止文件按讀寫沖突，可以使用文件鎖的功能。這不是

本次重點(diǎn)，以后介紹。

Linux中open的函數(shù)原型有兩個(gè)：

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

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

參數(shù)說明。

path：準(zhǔn)備打開的文件或設(shè)備名字。

oflags：指出要打開文件的訪問模式。open調(diào)用必須指定如下所示的文件訪問模式之一：

open調(diào)用哈可以在oflags參數(shù)中包括下列可選模式的組合（用”按位或“操作）：

O_APPEDN: 把寫入數(shù)據(jù)追加在文件的末尾。

O_TRUNC: 把文件長(zhǎng)度設(shè)為零，丟棄以后的內(nèi)容。

O_CREAT: 如果需要，就按參數(shù)mode中給出的訪問模式創(chuàng)建文件。

O_EXCL: 與O_CREAT一起調(diào)用，確保調(diào)用者創(chuàng)建出文件。使用這個(gè)模式可防止兩個(gè)程序同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)文件，如果文件已經(jīng)存在，open調(diào)用將失敗。

 關(guān)于其他可能出現(xiàn)的oflags值，請(qǐng)看考o(jì)pen的調(diào)用手冊(cè)。

mode：

當(dāng)使用哦、O_CREAT標(biāo)志的open來創(chuàng)建文件時(shí)，我們必須使用三個(gè)參數(shù)格式的open調(diào)用。第三個(gè)參數(shù)mode 是幾個(gè)標(biāo)志按位OR后得到的。他們是：

S_IRUSR: 讀權(quán)限，文件屬主。

S_IWUSR:寫權(quán)限，文件屬主。

S_ IXUSR:執(zhí)行權(quán)限，文件屬主。

S_IRGRP:讀權(quán)限，文件所屬組。

S_IWGRP:寫權(quán)限，文件所屬組。

。。。。

請(qǐng)看下面例子：

open（"myfile", O_CREAT, S_IRUSR|S_IXOTH ;

他的作用是創(chuàng)建一個(gè)名為myfile 的文件，文件屬主擁有讀權(quán)限，其他用戶擁有執(zhí)行權(quán)限，且只有這些權(quán)限。

運(yùn)行結(jié)果：

程序創(chuàng)建了一個(gè)名為myfile的文件，文件屬主有讀權(quán)限，其他用戶有執(zhí)行權(quán)限，且只有這些權(quán)限。

close系統(tǒng)調(diào)用

close系統(tǒng)調(diào)用用于“關(guān)閉”一個(gè)文件，close調(diào)用終止一個(gè)文件描述符fildes以其文件之間的關(guān)聯(lián)。文件描述符被釋放，并能夠重新使用。

close成功返回1，出錯(cuò)返回-1.

#Include<unistd.h>

int close(int fildes);

ioctl系統(tǒng)調(diào)用

ioctl提供了一個(gè)用于控制設(shè)備及其描述符行為和配置底層服務(wù)的接口。終端、文件描述符、甚至磁帶機(jī)都可以又為他們定義的ioctl，具體

細(xì)節(jié)可以參考特定設(shè)備的使用手冊(cè)。

下面是ioctl 的函數(shù)原型

#include<unistd.h>

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

ioctl對(duì)描述符fildes指定的對(duì)象執(zhí)行cmd 參數(shù)中所給出的操作。

 其他和文件管理有關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用

還有許多其他的系統(tǒng)調(diào)用能對(duì)文件進(jìn)行操作。

幾個(gè)常用的如：lseek（）對(duì)文件描述符fildes指定文件的讀寫指針進(jìn)行設(shè)置，也就是說，它可以設(shè)置文件的下一個(gè)讀寫位置。

fstat,stat,lstat 是和文件描述符相關(guān)的函數(shù)操作，這里就不做介紹。

dup，dup2系統(tǒng)調(diào)用。dup提供了復(fù)制文件描述符的方法，使我們能夠通過兩個(gè)或者更多個(gè)不同的文件描述符來訪問同一個(gè)文件。這可以用于

在文件的不同位置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。

4 庫(kù)函數(shù)

在輸入、輸出操作中，直接使用系統(tǒng)調(diào)用效率會(huì)非常底。具體原因有二：

系統(tǒng)調(diào)用會(huì)影響系統(tǒng)性能。與函數(shù)調(diào)用相比，系統(tǒng)調(diào)用的開銷大。因?yàn)樵趫?zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，要切換到內(nèi)核代碼區(qū)執(zhí)行，然后再返回用戶代碼。這必然就需要大量的時(shí)間開支。一種解決辦法是：盡量減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)，讓每次系統(tǒng)調(diào)用完成盡可能多的 任務(wù)。例如每次系統(tǒng)調(diào)用寫入大量的字符而不是單個(gè)字符。

硬件會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)用一次能讀寫的數(shù)據(jù)塊做一定的限制。例如，磁帶機(jī)通常的寫操作數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度是10k，如果縮寫數(shù)據(jù)不是10k的整數(shù)倍，磁帶機(jī)還是會(huì)以10k為單位繞磁帶，這就在磁帶上留下空隙。

為了提高文件訪問操作的效率，并且使得文件操作變得更方便，Linux發(fā)行版提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)。他們是一些由函數(shù)構(gòu)成的集合，你可以在自己的程序方便的中使用它們，

去操作文件。提供輸出緩沖功能的標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)就是這樣的例子。你可以高效的寫任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊，庫(kù)函數(shù)則在需要的時(shí)候安排底層函數(shù)調(diào)用（系統(tǒng)調(diào)用）

也就是說，庫(kù)函數(shù)在用戶和系統(tǒng)之間，增加了一個(gè)中間層。如下圖所示：

庫(kù)函數(shù)是根據(jù)實(shí)際需要而包裝好的系統(tǒng)調(diào)用，用戶可在程序中方便的使用庫(kù)函數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)I O庫(kù)（稍后會(huì)講）

5 標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)

 標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)及其頭文件<stdio.h>為底層I/O系統(tǒng)調(diào)用提供了一個(gè)通用的接口。這個(gè)庫(kù)現(xiàn)在已經(jīng)成為ANSI標(biāo)準(zhǔn)C的一部分，而前面所講的系統(tǒng)調(diào)用卻不是。

標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)提供了許多復(fù)雜功能的函數(shù)，用于格式化輸出和掃描輸入，它還負(fù)責(zé)滿足設(shè)備的緩沖需求。

在許多方面，使用標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)和使用底層文件描述符類似。需要先打開一個(gè)文件，已建立一個(gè)文件訪問路徑（也就是系統(tǒng)調(diào)用中的文件描述符）

在標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)中，與文件描述符對(duì)應(yīng)的叫 流（stream），它被實(shí)現(xiàn)為指向結(jié)構(gòu)FILE的指針。

在啟動(dòng)程序時(shí)，有三個(gè)文件流是自動(dòng)打開的。他們是：

stdin: 標(biāo)準(zhǔn)輸入

stdout: 標(biāo)準(zhǔn)輸出

stderr: 標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出

下面會(huì)介紹一些常用的I/O庫(kù)函數(shù)：

5.1 fopen函數(shù)

fopen函數(shù)類似于系統(tǒng)調(diào)用中的open函數(shù)。和open一樣，它返回文件的標(biāo)識(shí)符，只是這里叫做流（stream），在庫(kù)函數(shù)里實(shí)現(xiàn)為一個(gè)指向文件的指針。

如果需要對(duì)設(shè)備的行為進(jìn)行明確的控制，最好使用底層系統(tǒng)調(diào)用，因?yàn)檫@可以避免使用庫(kù)函數(shù)帶來的一些非預(yù)期的副作用，如輸入/輸出緩沖。

函數(shù)原型：

#include<stdio.h>

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

參數(shù)說明：

*filename：打開文件的文件名

*mode：打開的方式

     r 以只讀方式打開文件，該文件必須存在。
　　r+ 以可讀寫方式打開文件，該文件必須存在。
　　rb+ 讀寫打開一個(gè)二進(jìn)制文件，允許讀數(shù)據(jù)。
　　rw+ 讀寫打開一個(gè)文本文件，允許讀和寫。
　　w 打開只寫文件，若文件存在則文件長(zhǎng)度清為0，即該文件內(nèi)容會(huì)消失。若文件不存在則建立該文件
　　w+ 打開可讀寫文件，若文件存在則文件長(zhǎng)度清為零，即該文件內(nèi)容會(huì)消失。若文件不存在則建立該文件。

fopen在成功是返回一個(gè)非空的FILE *指針。失敗返回NULL

5.2 fread/fwrite函數(shù)

fread函數(shù)從文件流中讀取數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)調(diào)用中的read；fwrite函數(shù)從文件流中寫數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)調(diào)用中的write

函數(shù)原型：

#include<stdio.h>

size_t  fread(void *ptr, size_t size, size_t nitems, FILE *stream);

參數(shù)說明：

*ptr 要讀取數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，也就是要存放讀取數(shù)據(jù)的地方。

size：指定每個(gè)數(shù)據(jù)記錄的長(zhǎng)度。

nitems： 計(jì)數(shù)，給出要傳輸?shù)挠涗泜€(gè)數(shù)。

返回值：成功讀取到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的記錄個(gè)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)文件尾時(shí)，他的返回值可能會(huì)消耗與nitems，甚至可以是0

size_t  fwrite(const coid *ptr, size_t size , size_t nitimes, FILE *stream);

他從指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)ptr中把數(shù)據(jù)寫入文件流，返回成功寫入的記錄個(gè)數(shù)。

5.3 fclose函數(shù)

fclose函數(shù)關(guān)閉指定的文件流stream，這個(gè)操作會(huì)使所有未寫出的數(shù)據(jù)都寫出。因?yàn)閟tdio庫(kù)函數(shù)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，所有調(diào)用fclose函數(shù)是很重要的。

如果程序需要確保數(shù)據(jù)已經(jīng)全部寫出，就應(yīng)該調(diào)用fclose函數(shù)。雖然程序正常結(jié)束時(shí)，也會(huì)自動(dòng)的調(diào)用fclose函數(shù)，但這樣就不能檢測(cè)出調(diào)用fclose所產(chǎn)生的錯(cuò)誤了。

函數(shù)原型如下：

#include<stdio,h>

int fclose(FILE *stream);

5.4 fflush函數(shù)

fflush函數(shù)的作用是把文件流中所有未寫出的數(shù)據(jù)全部寫出。 處于效率考慮，在使用庫(kù)函數(shù)的時(shí)候會(huì)使用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿的時(shí)候才進(jìn)行寫操作。使用fflush函數(shù)

可以將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部寫出，而不關(guān)心緩沖區(qū)是否滿。fclose的執(zhí)行隱含調(diào)用了fflush函數(shù)，所以不必再fclose執(zhí)行之前調(diào)用fflush。

函數(shù)原型：

#include<stdio.h>

int fflush(FILE *stream);

6 /proc文件系統(tǒng)

 Linux將一切看做文件，硬件設(shè)備在文件系統(tǒng)中也有相應(yīng)的條目。/dev目錄中的文件使用底層系統(tǒng)調(diào)用這樣一種特殊方式來訪問硬件。

/proc文件系統(tǒng)，可以看做是一個(gè)特殊的文件系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)文件都對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的硬件，所以用戶可以通過proc文件系統(tǒng)像訪問文件一樣來訪問硬件設(shè)備。

該文件系統(tǒng)通常表現(xiàn)為/proc 目錄。該目錄中包含了許多特殊文件以允許對(duì)驅(qū)動(dòng)和內(nèi)核信息進(jìn)行高層訪問。

如果你想知道CPU的信息，內(nèi)核版本信息等，就可以通過proc文件系統(tǒng)。

/proc目錄中的文件會(huì)隨系統(tǒng)的不同而不同。我的電腦上的/proc 中的文件如下所示：

 在多數(shù)情況下，直接讀取這些文件就可以獲得狀態(tài)信息。

6.1 訪問設(shè)備信息

例如，獲取CPU的信息：

內(nèi)存使用信息(只顯示里局部～)：

每次讀這些文件的內(nèi)容時(shí)，他們所提供的信息都會(huì)及時(shí)更新。所以再讀一次meminfo文件會(huì)得到不同的結(jié)果。

由特定內(nèi)核函數(shù)給出的更多信息可以在proc目錄的子目錄中查到。

6.2 查看內(nèi)核函數(shù)給出的信息

例如：查看網(wǎng)絡(luò)套接字的使用統(tǒng)計(jì)：

6.3通過proc查看進(jìn)程信息

用ps 命令可得到當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程在proc中都有相應(yīng)的信息文件，通過查看這個(gè)文件，可以得知進(jìn)程相關(guān)的信息：

進(jìn)程2754的當(dāng)前工作目錄是：/hme/yyl

程序 /bin/su正在運(yùn)行，還有其他信息此處不再說明;

修改proc文件系統(tǒng)內(nèi)容

例如，系統(tǒng)中所有運(yùn)行的程序同時(shí)打開的文件總數(shù)是Linux內(nèi)核的一個(gè)參數(shù)。

如果我們想要增大這個(gè)歌值，則可通過寫同一個(gè)文件來實(shí)現(xiàn)。

注意：對(duì)proc的寫操作要注意權(quán)限問題，在修改時(shí)要小心，不適當(dāng)?shù)闹悼赡軙?huì)影響到系統(tǒng)的一運(yùn)行。