第6章文件IO编程Word文档下载推荐.docx
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但并不是所有的函数都一一对应一个系统调用，有时，一个API函数会需要几个系统调用来共同完成函数的功能，甚至还有一些API函数不需要调用相应的系统调用（因此它所完成的不是内核提供的服务）。
在Linux中，用户编程接口（API）遵循了在UNIX中最流行的应用编程界面标准——POSIX标准。
POSIX标准是由IEEE和ISO/IEC共同开发的标准系统。
该标准基于当时现有的UNIX实践和经验，描述了操作系统的系统调用编程接口（实际上就是API），用于保证应用程序可以在源代码一级上在多种操作系统上移植运行。
这些系统调用编程接口主要是通过C库（libc）实现的。
6.1.3系统命令
以上讲解了系统调用、用户编程接口（API）的概念，分析了它们之间的相互关系，那么，读者在第2章中学到的那么多的Shell系统命令与它们之间又是怎样的关系呢？
系统命令相对API更高了一层，它实际上是一个可执行程序，它的内部引用了用户编程接口（API）来实现相应的功能。
它们之间
的关系如图6.1所示。
6.2Linux中文件及文件描述符概述
图6.1系统调用、A
系统命令之间的关
在Linux中对目录和设备的操作都等同于文件的操作，因此，大大简化了系统对
不同设备的处理，提高了效率。
Linux中的文件主要分为4种：
普通文件、目录文件、
链接文件和设备文件。
那么，内核如何区分和引用特定的文件呢？
这里用到了一个重要的概念——文件描述符。
对于Linux而言，所有对设备和文件的操作都是使用文件描述符来进行的。
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。
通常，一个进程启动时，都会打开3个文件：
标准输入、标准输出和标准出错处理。
这3个文件分别对应文件描述符为0、1和2（也就是宏替换STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO，鼓励读者使用这些宏替换）。
基于文件描述符的I/O操作虽然不能移植到类Linux以外的系统上去（如Windows），但它往往是实现某些I/O操作的惟一途径，如Linux中低级文件操作函数、多路I/O、TCP/IP套接字编程接口等。
同时，它们也很好地兼容POSIX标准，因此，可以很方便地移植到任何POSIX平台上。
基于文件描述符的I/O操作是Linux中最常用的操作之一，希望读者能够很好地掌握。
6.3底层文件I/O操作
本节主要介绍文件I/O操作的系统调用，主要用到5个函数：
open（）、read（）、write（）、lseek（）和close（）。
这些函数的特点是不带缓存，直接对文件（包括设备）进行读写操作。
这些函数虽然不是ANSIC的组成部分，但是是POSIX的组成部分。
6.3.1基本文件操作
（1）函数说明。
open（）函数用于打开或创建文件，在打开或创建文件时可以指定文件的属性及用户的权限等各种参数。
close（）函数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（）函数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。
当从终端设备文件中读出数据时，通常一次最多读一行。
write（）函数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。
lseek（）函数用于在指定的文件描述符中将文件指针定位到相应的位置。
它只能用在可定位（可随机访问）文件操作中。
管道、套接字和大部分字符设备文件是不可定位的，所以在这些文件的操作中无法使用lseek（）调用。
（2）函数格式。
open（）函数的语法格式如表6.1所示。
表6.1open（）函数语法要点
所需头文件
#include<
sys/types.h>
/*提供类型pid_t的定义*/
sys/stat.h>
fcntl.h>
函数原型
intopen（constchar*pathname,intflags,intperms）
函数传入值
pathname
被打开的文件名（可包括路径名）
flag：
文件打开的方式
O_RDONLY：
以只读方式打开文件
O_WRONLY：
以只写方式打开文件
O_RDWR：
以读写方式打开文件
O_CREAT：
如果该文件不存在，就创建一个新的文件，并用第
三个参数为其设置权限
O_EXCL：
如果使用O_CREAT时文件存在，则可返回错误消息。
这一参数可测试文件是否存在。
此时open是原子操作，防止多个进程同时创建同一个文件
O_NOCTTY：
使用本参数时，若文件为终端，那么该终端不会
成为调用open（）的那个进程的控制终端
O_TRUNC：
若文件已经存在，那么会删除文件中的全部原有数据，并且设置文件大小为0。
O_APPEND：
以添加方式打开文件，在打开文件的同时，文件
指针指向文件的末尾，即将写入的数据添加到文件的末尾
perms
被打开文件的存取权限
可以用一组宏定义：
S_I（R/W/X）（USR/GRP/OTH）
其中R/W/X分别表示读/写/执行权限
USR/GRP/OTH分别表示文件所有者/文件所属组/其他用户
例如，S_IRUSR|S_IWUSR表示设置文件所有者的可读可写属性。
八进制表示法中600也表示同样的权限
函数返回值
成功：
返回文件描述符失败：
1
在open（）函数中，flag参数可通过“|”组合构成，但前3个标志常量（O_RDONLY、
O_WRONLY以及O_RDWR）不能相互组合。
perms是文件的存取权限，既可以用宏
定义表示法，也可以用八进制表示法。
close（）函数的语法格式表6.2所示。
表6.2close（）函数语法要点
所需头文件#include<
unistd.h>
函数原型intclose（intfd）函数输入值fd：
文件描述符
函数返回值0：
成功
1：
出错
read（）函数的语法格式如表6.3所示。
表6.3read（）函数语法要点
所需头文件#include<
函数原型ssize_tread（intfd,void*buf,size_tcount）
fd：
buf：
指定存储器读出数据的缓冲区count：
指定读出的字节数成功：
读到的字节数
0：
已到达文件尾
在读普通文件时，若读到要求的字节数之前已到达文件的尾部，则返回的字节数
会小于希望读出的字节数。
write（）函数的语法格式如表6.4所示。
表6.4write（）函数语法要点
ssize_twrite（intfd,void*buf,size_tcount）
指定存储器写入数据的缓冲区
count：
指定读出的字节数
已写的字节数
在写普通文件时，写操作从文件的当前指针位置开始。
lseek（）函数的语法格式如表6.5所示。
表6.5lseek（）函数语法要点
off_tlseek（intfd,off_toffset,intwhence）
offset：
偏移量，每一读写操作所需要移动的距离，单位是字节，可正可负
（向前移，向后移）
whence：
当前位置的基点
SEEK_SET：
当前位置为文件的开头，新位置为偏移量的大小
SEEK_CUR：
当前位置为文件指针的位置，新位置为当前位置加上偏移量
SEEK_END：
当前位置为文件的结尾，新位置为文件的大小
加上偏移量的大小
文件的当前位移
（3）函数使用实例。
下面实例中的open（）函数带有3个flag参数：
O_CREAT、O_TRUNC和O_WRONLY，这样就可以对不同的情况指定相应的处理方法。
另外，这里对该文件的权限设置为0600。
其源码如下所示：
下面列出文件基本操作的实例，基本功能是从一个文件（源文件）中读取最后
10KB数据并到另一个文件（目标文件）。
在实例中源文件是以只读方式打开，目标文件是以只写方式打开（可以是读写方式）。
若目标文件不存在，可以创建并设置权限的初始值为644，即文件所有者可读可写，文件所属组和其他用户只能读。
读者需要留意的地方是改变每次读写的缓存大小（实例中为1KB）会怎样影响运行效率。
/*copy_file.c*/
stdlib.h>
stdio.h>
#defineBUFFER_SIZE1024/*每次读写缓存大小，影响运行效率*/
#defineSRC_FILE_NAME"
src_file"
/*源文件名*/
#defineDEST_FILE_NAME"
dest_file"
/*目标文件名文件名*/
#defineOFFSE10240/*复制的数据大小*/
intmain（）
{
intsrc_file,dest_file;
unsignedcharbuff[BUFFER_SIZE];
intreal_read_len;
/*以只读方式打开源文件*/
src_file=open（SRC_FILE_NAME,O_RDONLY）;
/*以只写方式打开目标文件，若此文件不存在则创建该文件,访问权限值为644*/
dest_file=open（DEST_FILE_NAME,O_WRONLY|O_CREAT,
S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IROTH）;
if（src_file<
0||dest_file<
0）
printf（"
Openfileerror\n"
）;
exit
（1）;
}
/*将源文件的读写指针移到最后10KB的起始位置*/
lseek（src_file,-OFFSET,SEEK_END）;
/*读取源文件的最后10KB数据并写到目标文件中，每次读写1KB*/
while（（real_read_len=read（src_file,buff,sizeof（buff）））>
write（dest_file,buff,real_read_len）;
close（dest_file）;
close（src_file）;
return0;
$./copy_file
$ls-lhdest_file
-rw-r--r--1davidroot10K14:
06dest_file
open（）函数返回的文件描述符一定是最小的未用文件描述符。
由于一个进程在
启动时自动打开了0、1、2三个文件描述符，因此，该文件运行结果中返回的注意文件描述符为3。
读者可以尝试在调用open（）函数之前，加一句close（0），则此后在调用open（）函数时返回的文件描述符为0（若关闭文件描述符1，则在程
序执行时会由于没有标准输出文件而无法输出）。
6.3.2文件锁
（1）fcntl（）函数说明。
前面的这5个基本函数实现了文件的打开、读写等基本操作，本小节将讨论的是，在文件已经共享的情况下如何操作，也就是当多个用户共同使用、操作一个文件的情况，这时，Linux通常采用的方法是给文件上锁，来避免共享的资源产生竞争的状态。
文件锁包括建议性锁和强制性锁。
建议性锁要求每个上锁文件的进程都要检查是否有锁存在，并且尊重已有的锁。
在一般情况下，内核和系统都不使用建议性锁。
强制性锁是由内核执行的锁，当一个文件被上锁进行写入操作的时候，内核将阻止其他任何文件对其进行读写操作。
采用强制性锁对性能的影响很大，每次读写操作都必须检查是否有锁存在。
在Linux中，实现文件上锁的函数有lockf（）和fcntl（），其中lockf（）用于对文件施加建议性锁，而fcntl（）不仅可以施加建议性锁，还可以施加强制锁。
同时，fcntl（）还能对文件的某一记录上锁，也就是记录锁。
记录锁又可分为读取锁和写入锁，其中读取锁又称为共享锁，它能够使多个进程都能在文件的同一部分建立读取锁。
而写入锁又称为排斥锁，在任何时刻只能有一个进程在文件的某个部分上建立写入锁。
当然，在文件的同一部分不能同
时建立读取锁和写入锁。
fcntl（）是一个非常通用的函数，它可以对已打开的文件描述符进行各种操作，
注意不仅包括管理文件锁，还包括获得和设置文件描述符和文件描述符标志、文件描述符的复制等很多功能。
在本节中，主要介绍建立记录锁的方法。
（2）fcntl（）函数格式。
用于建立记录锁的fcntl（）函数格式如表6.6所示。
表6.6fcntl（）函数语法要点
函数原型intfcnt1（intfd,intcmd,structflock*lock）
函数传入值fd：
cmd
F_DUPFD：
复制文件描述符
F_GETFD：
获得fd的close-on-exec标志，若标志未设置，则文件经过exec（）
函数之后仍保持打开状态
F_SETFD：
设置close-on-exec标志，该标志由参数arg的FD_CLOEXEC
位决定
F_GETFL：
得到open设置的标志
F_SETFL：
改变open设置的标志
F_GETLK：
根据lock参数值，决定是否上文件锁
F_SETLK：
设置lock参数值的文件锁
F_SETLKW：
这是F_SETLK的阻塞版本（命令名中的W表示等待（wait））。
在无法获取锁时，会进入睡眠状态；
如果可以获取锁或者捕捉到信号则会
返回
lock：
结构为flock，设置记录锁的具体状态
这里，lock的结构如下所示：
structflock
shortl_type;
off_tl_start;
shortl_whence;
off_tl_len;
pid_tl_pid;
lock结构中每个变量的取值含义如表6.7所示。
表6.7lock结构变量取值
l_type
F_RDLCK：
读取锁（共享锁）
F_WRLCK：
写入锁（排斥锁）
F_UNLCK：
解锁
l_stat
相对位移量（字节）
l_whence：
相对位移量的起点（同lseek的whence）
当前位置为文件指针的位置，新位置为当前位置加上偏移量
当前位置为文件的结尾，新位置为文件的大小加上偏移量的大
小
l_len
加锁区域的长度
小技巧为加锁整个文件，通常的方法是将l_start设置为0，l_whence设置为
SEEK_SET，l_len设置为0。
（3）fcntl（）使用实例
下面首先给出了使用fcntl（）函数的文件记录锁功能的代码实现。
在该代码中，首先给flock结构体的对应位赋予相应的值。
接着使用两次fcntl（）函数，分别用于判断文件是否可以上锁和给相关文件上锁，这里用到的cmd值分别为F_GETLK和F_SETLK
（或F_SETLKW）。
用F_GETLK命令判断是否可以进行flock结构所描述的锁操作：
若可以进行，则flock结构的l_type会被设置为F_UNLCK，其他域不变；
若不可行，则l_pid被设置为拥有文件锁的进程号，其他域不变。
用F_SETLK和F_SETLKW命令设置flock结构所描述的锁操作，后者是前者的
阻塞版。
文件记录锁功能的源代码如下所示：
/*lock_set.c*/
intlock_set（intfd,inttype）
structflockold_lock,lock;
lock.l_whence=SEEK_SET;
lock.l_start=0;
lock.l_len=0;
lock.l_type=type;
lock.l_pid=-1;
/*判断文件是否可以上锁*/
fcntl（fd,F_GETLK,&
lock）;
if（lock.l_type!
=F_UNLCK）
/*判断文件不能上锁的原因*/
if（lock.l_type==F_RDLCK）/*该文件已有读取锁*/
Readlockalreadysetby%d\n"
lock.l_pid）;
elseif（lock.l_type==F_WRLCK）/*该文件已有写入锁*/
Writelockalreadysetby%d\n"
/*l_type可能已被F_GETLK修改过*/
/*根据不同的type值进行阻塞式上锁或解锁*/
if（（fcntl（fd,F_SETLKW,&
lock））<
Lockfailed:
type=%d\n"
lock.l_type）;
return
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