（2.2）文件和目录操作——Linux的文件IO操作

文章目录

• ​​1.Linux系统调用​​
• ​​2.为什么用户程序不直接访问系统内核提供的服务？​​
• ​​3.文件描述符​​

• ​​（1）内核如何区分和引用特定的文件？​​
• ​​（2） 一个进程启动时， 通常会打开3个文件​​

• ​​4.Linux文件IO函数说明​​

• ​​（1）open函数​​
• ​​（2）creat函数​​
• ​​（3）close函数​​
• ​​（4）read函数​​
• ​​（4）write函数​​

• ​​5.ioctl函数​​

1.Linux系统调用

• 系统调用： 操作系统提供给用户程序调用的一组“特殊” 接口， 用户程序可以通过这组“特殊” 接口来获得操作系统内核提供的服务
• 系统调用和普通调用的区别：
  系统调用是由OS内核提供的，运行于内核态；
  普通的函数调用是由函数库或用户自己提供的，运行于用户态；
  有一些标准的C语言库函数，在Linux系统上的实现，都是通过系统调用来完成的。

2.为什么用户程序不直接访问系统内核提供的服务？

• 为了更好地保护内核空间， 将程序的运行空间分为内核空间和用户空间（也就是常称的内核态和
  用户态） ， 它们分别运行在不同的级别上， 在逻辑上是相互隔离的。 因此， 用户进程在通常情况下不允许访问内核数据， 也无法使用内核函数， 它们只能在用户空间操作用户数据， 调用用户空间的函数
• 进行系统调用时， 程序运行空间从用户空间进入内核空间， 处理完后再返回到用户空间



• 系统调用并不是直接与程序员进行交互的， 它仅仅是一个通过软中断机制向内核提交请求， 以获取内核服务的接口。
  原理：进程先用适当的值填充寄存器，然后调用一个特殊的指令，该指令会跳转到事先定义的内核中的位置，该位置是用户进程可读，但是不可写的。
  在Intel中，这是由中断0x80实现的，此时硬件就知道此时是在操作系统的内核中运行，有了内核的权限就可以使用内核的服务了，该内核的位置是system_call，会检查系统的调用号，该号码告诉内核我们的进程是在请求哪种服务，然后查看系统调用表，找到所调用的内核函数的入口地址， 接着调用函数，返回后做一些系统检查，最后在返回到进程
• 在实际使用中程序员调用的通常是用户编程接口——API。

• Linux中的系统调用包含在Linux的libc库中， 通过标准的C函数调用方法可以调用
  在跳转到内核态时，由系统调用处理程序和服务例程，然后依次返回给用户态
• 系统命令相对API更高了一层， 它实际上是一个可执行程序， 它的内部调用了用户编程接口（API） 来实现相应的功能。
• eg:

# cp /floppy/TEST /temp/test

3.文件描述符

（1）内核如何区分和引用特定的文件？

• 通过文件描述符。 文件描述符是一个非负的整数， 它是一个索引值， 并指向在内核中每个进程打开文件的记录表。 当打开一个现存文件或创建一个新文件时， 内核就向进程返回一个文件描
  述符；当需要读写文件时， 也需要把文件描述符作为参数传递给相应的函数。

（2） 一个进程启动时， 通常会打开3个文件

-----标准输入 描述符为0       默认是键盘
------标准输出 描述符为1      默认是屏幕
------标准出错处理 描述符为2    默认是屏幕

• 在POSIX应用程序中，整数0，1，2被代换成了符号常数，这些常数都是定义在unstd.h中；
• 文件描述符的范围是：0-OPENMAX，允许每个进程打开的文件数0-OPENMAX

4.Linux文件IO函数说明

open():用于打开或创建文件， 可以指定文件的属性及用户的权限等各种参数

creat():打开一个文件， 如果文件不存在， 则创建它

close():用于关闭一个被打开的文件。 当一个进程终止时， 所有被它打开的文件都
由内核自动关闭， 很多程序都使用这一功能而不显示地关闭一个文件

read():用于将从指定的文件描述符中读出的数据放到缓存区中， 并返回实际读入
的字节数。 若返回0， 则表示没有数据可读， 即已达到文件尾。 读操作从文件的当
前指针位置开始

write(): 用于向打开的文件写数据， 写操作从文件的当前指针位置开始。 对磁盘
文件进行写操作， 若磁盘已满或超出该文件的长度， 则write()函数返回失败

（1）open函数

头文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>

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

mode：
指定文件的权限是mode的值，一般是8进制的权限码，0777表示：文件所有者，文件用户组，其他用户的权限是rwx。
只有创建新文件的时候，才设定mode



函数说明
参数pathname 指向欲打开的文件路径字符串。

（1）下面三个是主类标识：这三种方式互斥，即不能同时使用。但可以与下类的副类标识来组合使用，利用|运算符
下列是参数flags 常用的标识:
O_RDONLY 以只读方式打开文件
O_WRONLY 以只写方式打开文件
O_RDWR 以可读写方式打开文件。上述三种标识是互斥的，也就是不可同时使用，但可与下列的标识利用OR(|)运算符组合。

（2）下面的是副类标识
O_CREAT 若欲打开的文件不存在则自动建立该文件。
O_TRUNC 若文件存在并且以可写的方式打开时，此标识会令文件长度清为0，而原来存于该文件的资料也会消失。
O_APPEND 当读写文件时会从文件尾开始移动，也就是所写入的数据会以附加的方式加入到文件后面。
O_NONBLOCK 以不可阻断的方式打开文件，也就是无论有无数据读取或等待，都会立即返回进程之中。
O_EXCL: 如果同时指定 O_CREAT，而该文件又是存在的，报错；也可以测试一个文件是否存在，不存在则创建。

返回值
文件打开成功返回文件的描述符，失败返回

• eg：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define FILE_PATH "./text.txt"

int main(void)
{
  int fd;
  if (fd=open(FILE_PATH, O_RDWR|O_CREAT|O_EXECL, 0666)<0)
  {
    printf("open error\n");/*若打开一个已经存在的文件*/
    exit(-1);
  }
  else
    printf("Open success\n");/*不存在，则创建该文件*/
  return 0;
}

（2）creat函数

creat(建立文件)

头文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>

 函数原型
int creat(const char * pathname, mode_t mode)

 参数说明
参数pathname指向欲建立的文件路径字符串。 
creat()相当于使用下列的调用方式调用open()：
open(const char * pathname ,(O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC))

 返回值
creat()会返回新的文件描述词，若有错误发生则会返回-1，并把错误代码设给errno

 附加说明
creat函数的一个不足之处是它以只写方式打开所创建的文件

（3）close函数

close(关闭文件)，和open()一一对应

头文件
#include<unistd.h>

 函数原型
int close(int fd);
fd：
需要关闭的文件描述符，调用该函数时，Linux会对内核文件描述符表对应的文件表项和索引节点
表项进行相应的处理，来完成关闭文件的操作；
在进程关闭文件后，就不能通过open()和creat()所返回的文件描述符fd来操作该文件

 函数说明
当使用完文件后若已不再需要则可使用close()关闭该文件， close()会让数据写回磁盘，并释放
该文件所占用的资源。参数fd为先前由open()或creat()所返回的文件描述符;

 返回值
若文件顺利关闭则返回0，发生错误时返回-1。

 附加说明
虽然在进程结束时，系统会自动关闭已打开的文件，但仍建议自行关闭文件，并检查返回值。

（4）read函数

read(由已打开的文件读取数据)

 头文件
#include<unistd.h>

 定义函数
ssize_t read(int fd,void * buf ,size_t count);

 函数说明
read()会把参数fd 所指的文件传送count个字节到buf指针所指的内存中。若参数
count为0，则read()不会有作用并返回0。返回值为实际读取到的字节数，如果返回
0，表示已到达文件尾或是无可读取的数据，此外文件读写位置会随读取到的字节移
动;

 返回值
成功返回读取的字节数，出错返回-1。

• read函数实际读到的字节数少于要求读的字节数时：
  （a） 读普通文件，在读到要求字节数之前就到达文件尾；
  （b）当从终端设备读，通常一次最多读一行；
  （c）当从网络读时，网络中的缓冲机制可能造成返回值小于所要求读的字节数；
  （d）某些面向记录的设备，如磁带，一次最多返回一个记录；
• 读操作完成后，文件的当前位置将从读之前的位置加上实际读的字节数
• 当有错误发生时则返回-1，错误代码存入errno中，而文件读写位置则无法预期

（4）write函数

write(将数据写入已打开的文件内)

头文件
#include<unistd.h>

 函数原型
ssize_t write (int fd,const void * buf,size_t count);

 函数说明
write()会把参数buf所指的内存写入count个字节到参数fd所指的文件内。当然，文件读写位置也会随之移
动;

 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。 write出错的
原因可能是磁盘满、没有访问权限、或写超过文件长度限制等等

 附加说明
将数据写入已打开的文件内。对于普通文件，写操作从文件当前位置开始写（除非打开文件时指定了
O_APPEND选项）。写操作完成后，文件的当前位置将从写之前的位置加上实际写的字节数

• 数据无法一次性读完时
  第二次读buf中数据时，读位置指针并不会自动移动，
  按如下格式实现读位置移动： write(fp, p1+len, (strlen(p1)-len)，直至指针恢复
• Write一次可以写的最大数据范围是8192
  写入数据大小最好小于buff中的值
  Count参数值大于SSIZE_MAX，则write调用的结果未定义
  Count参数值为0时， write调用会立即返回0这个值
• Write调用返回时，内核已经将缓冲区所提供的数据复制到内核的缓冲区，但是无法保证数据已经写出到预定的目的地
  通常指的是：物理设备作为目的地，因为系统调用的速度比硬盘写入的速度要快，所以系统内核采用延后写入的机制来处理，内核会在后台搜集所有脏缓冲区(有数据写入的缓冲区)，将这些缓冲区安排成最佳顺序，接着写入磁盘中，内核安排写入顺序主要是基于性能的考虑，而不是根据用户的执行顺序，即与缓冲区写入的先后无关。
• eg：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
int main(void)
{
  char buf[100];
  int num=0;
  if (num=read(STDIN_FILENO, buf ,10)==-1)/*STDIN_FILENO表示接受键盘的输入*/
  {
      printf("read error");
      error(-1);
  }
  else
    write(STDIN_FILENO, buf,num);/*将键盘的输入又输出到屏幕上*/
  return 0;
}

5.ioctl函数

ioctl(设备驱动程序中对设备的I/O通道进行管理)

头文件
#include<sys/ioctl.h>

定义函数
int ioctl(int fd, int cmd, ...);
fd：open()函数打开的文件标识符
cmd:用户程序对设备的控制命令
...:省略命令，一般最多一个

 函数说明
ioctl()能对一些特殊的文件(主要是设备)进行一些底层参数的操作。许多字符设备都使用ioctl请求来完成对
设备的控制;

 返回值
成动返回0。当有错误发生时则返回-1，错误代码存入errno中

 附加说明
ioctl是设备驱动程序中对设备的I/O通道进行管理的函数。所谓对I/O通道进行管理，就是对设备的一些特性
进行控制，例如串口的传输波特率、马达的转速等等。

• 应用层与驱动函数的ioctl之间的联系

• 在驱动程序中实现的ioctl函数体内，实际上是有一个switch{case}结构，每一个case对应一个命令码，做出一些相应的操作
• ioctl中命令码是唯一联系用户程序命令和驱动程序支持的途径
  命令与设备是一一对应的;
  内核提供宏，用能够理解的字符串来生成命令码；或者利用命令码得到用户能够理解的字符串，已表明对应设备类型，序列号，数据传送方向，和数据传输尺寸



• "幻数"是一个字母，数据长度也是8，用一个特定的字母来标明设备类型