linux系统调用open、write、close、read以及stat函数详解

时间：2022-12-03 19:08:38

学习笔记 参考链接1 、参考链接2以及百度百科
在进行C语言学习的时候我们了解到了C语言相关的一些IO操作，如fopen，fwrite，fread，fprintf，fclose等相关函数，他们都是由C库函数提供的一些函数，是将操作系统的系统调用加以封装，虽说Linux是由C语言实现的，但为了使我们更加的了解Linux，就需要了解更接近与底层的一些IO操作，因此就需要来了解下基本的系统调用—open，write，read，close
首先我们来了解下open，write，read，close的系统调用

open

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

open有三个参数
pathname：要打开或创建的目标文件名
flags：对文件进行多种操作也就有有多个参数，这多个参数可以进行或运算，即就是flags
参数：
O_RDONLY:只读打开
O_WRONLY:只写打开
O_RDWR:读，写打开
O_CREAT:若文件不存在，创建文件
O_APPEND:追加写
参数1，2，3，必须制定一个且只能制定一个，使用参数4，必须使用open的第三个参数mode：新文件的访问权限
返回值：成功：新打开文件的文件描述符（fd）
失败：-1

write

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

fd：文件描述符
buf：写入的缓冲区
count：写的字符长度，也就是看你需要写多少
返回值：
如果顺利write()会返回实际写入的字节数。当有错误发生时则返回-1，错误代码存入errno中。
read

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

fd：文件描述符
buf：读入的缓冲区
count：写的字符长度，也就是看你需要写多少
返回值
如果顺利read()会返回实际写入的字节数。当有错误发生时则返回-1，错误代码存入errno中。
close

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close的参数就相对简单了，这一个操作是不能遗漏的，只要了使用fd就必须close它
在这几个函数中都涉及到了关键的参数fd，因此要了解这几个函数，就必须先了解下文件描述符（fd）。
什么是文件描述符，这是一个相对抽象的概念，我们先来看看下面这张图
linux系统调用open、write、close、read以及stat函数详解
在PCB结构体中存在一个files指针，它指向一个file_struct结构体，而在file_struct结构体中存在一个file* fd数组，这个数组里面存放的是file指针，用来指向不同的file文件，而fd就可以理解为这个指针数组的下标，因此要打开一个文件，我们就可以拿到该文件的fd就可以了。
fd的分配原则：
在files_struct数组当中，使用没有被使用的最小下标，作为新的文件描述符。
操作系统默认使用了该数组的前三个元素，0号下标指向标准输入（stdin），1号下标指向标准输出（stdout），2号下标指向标准错误（stderr）。
因此正常情况下，新的fd都是从3开始的，但如果我们关闭了默认的fd，新的文件的fd就从关闭的fd处开始。
说到了fd，我们就不得不来区分下FILE和fd
FILE是C库当中提供的一个结构体，而fd是系统调用，更加接近于底层，因此FILE中必定封装了fd。
我们可以来看看FILE的结构体：
typedef struct _IO_FILE FILE;在/usr/include/stdio.h
它的结构体中有这么一段

struct _IO_FILE {
  int _flags;       /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags

//缓冲区相关
  /* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
  /* Note: Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
  char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */
  char* _IO_read_end;   /* End of get area. */
  char* _IO_read_base;  /* Start of putback+get area. */
  char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
  char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */
  char* _IO_write_end;  /* End of put area. */
  char* _IO_buf_base;   /* Start of reserve area. */
  char* _IO_buf_end;    /* End of reserve area. */
  /* The following fields are used to support backing up and undo. */
  char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
  char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */ 
  char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */

  struct _IO_marker *_markers;

  struct _IO_FILE *_chain;

  int _fileno;//fd的封装

可以看到int_fileno就是对fd的封装，在这一部分的开头有一大段跟缓冲区相关的内容，为什么要诺列出它呢，首先可以来看一个很诡异的例子：

#include <stdio.h> 
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>
  #include <sys/stat.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <fcntl.h>

  int main(){
      const char *msg1 = "hello printf\n";
      const char *msg2 = "hello fwrite\n";
      const char *msg3 = "hello write\n";

      printf(msg1);
      fwrite(msg2, 1, strlen(msg2), stdout);
      write(1, msg3, strlen(msg3));
      fork();
      return 0;
  }

运行结果：

[rlh@localhost test]$ ./hello
hello printf 
hello fwrite 
hello write

但当我们对进程实现输出重定向，你就会发现诡异的事情：

[rlh@localhost test]$ ./hello > file
[rlh@localhost test]$ cat file 
hello write 
hello printf 
hello fwrite 
hello printf 
hello fwrite

这是为什么呢，这是跟C库的缓冲数据有关，C库缓冲数据分为三种（1）、无缓冲（2）、行缓冲（3）、全缓冲。

行缓冲就是往显示器上写，全缓冲就是往文件里写。

在上面的现象中，write不受影响是因为它属于系统调用，没有缓冲区，而printf和fwrite会自带缓冲区，当发生重定向到普通文件的时候，它就会从行缓冲转变为全缓冲，也就是会往文件里面写写，但是我们缓冲区里的数据，即使fork也不会立即被刷新，当进程退出后会统一刷新，写入文件，但是fork的时候会发生写时拷贝，也就是当父进程准备刷新的时候，子进程就已经有了一份相同的数据，所以就会产生上面的现象。

了解下重定向。
重定向分为三种：
输出重定向（>） 也就是关闭fd为1下标所指向的内容
输入重定向（<） 同理就是关闭fd为0下标所指向的内容
追加重定向（>>） 后面多一个追加选项

stat函数

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int stat(const char *file_name, struct stat *buf);

函数说明: 通过文件名filename获取文件信息，并保存在buf所指的结构体stat中
返回值: 执行成功则返回0，失败返回-1，错误代码存于errno

错误代码:
ENOENT 参数file_name指定的文件不存在
ENOTDIR 路径中的目录存在但却非真正的目录
ELOOP 欲打开的文件有过多符号连接问题，上限为16符号连接
EFAULT 参数buf为无效指针，指向无法存在的内存空间
EACCESS 存取文件时被拒绝
ENOMEM 核心内存不足
ENAMETOOLONG 参数file_name的路径名称太长
eg:

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    struct stat buf;
    stat("/etc/hosts", &buf);
    printf("/etc/hosts file size = %d/n", buf.st_size);
}
struct stat {
    dev_t         st_dev;       //文件的设备编号
    ino_t         st_ino;       //节点
    mode_t        st_mode;      //文件的类型和存取的权限
    nlink_t       st_nlink;     //连到该文件的硬连接数目，刚建立的文件值为1
    uid_t         st_uid;       //用户ID
    gid_t         st_gid;       //组ID
    dev_t         st_rdev;      //(设备类型)若此文件为设备文件，则为其设备编号
    off_t         st_size;      //文件字节数(文件大小)
    unsigned long st_blksize;   //块大小(文件系统的I/O 缓冲区大小)
    unsigned long st_blocks;    //块数
    time_t        st_atime;     //最后一次访问时间
    time_t        st_mtime;     //最后一次修改时间
    time_t        st_ctime;     //最后一次改变时间(指属性)
};

先前所描述的st_mode 则定义了下列数种情况：

 S_IFMT   0170000    文件类型的位遮罩
    S_IFSOCK 0140000    scoket
    S_IFLNK 0120000     符号连接
    S_IFREG 0100000     一般文件
    S_IFBLK 0060000     区块装置
    S_IFDIR 0040000     目录
    S_IFCHR 0020000     字符装置
    S_IFIFO 0010000     先进先出

    S_ISUID 04000     文件的(set user-id on execution)位
    S_ISGID 02000     文件的(set group-id on execution)位
    S_ISVTX 01000     文件的sticky位

    S_IRUSR(S_IREAD) 00400     文件所有者具可读取权限
    S_IWUSR(S_IWRITE)00200     文件所有者具可写入权限
    S_IXUSR(S_IEXEC) 00100     文件所有者具可执行权限

    S_IRGRP 00040             用户组具可读取权限
    S_IWGRP 00020             用户组具可写入权限
    S_IXGRP 00010             用户组具可执行权限

    S_IROTH 00004             其他用户具可读取权限
    S_IWOTH 00002             其他用户具可写入权限
    S_IXOTH 00001             其他用户具可执行权限

上述的文件类型在POSIX中定义了检查这些类型的宏定义：

    S_ISLNK (st_mode)    判断是否为符号连接
    S_ISREG (st_mode)    是否为一般文件
    S_ISDIR (st_mode)    是否为目录
    S_ISCHR (st_mode)    是否为字符装置文件
    S_ISBLK (s3e)        是否为先进先出
    S_ISSOCK (st_mode)   是否为socket
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