【linux】linux系统调用及文件IO操作

一、系统调用

1、概述

系统调用：就是操作系统内核提供给用户可以操作内核一组函数接口。用户借助系统调用操作内核。比如用户可以通过文件系统相关的调用请求系统打开文件、关闭文件或读写文件，可以通过时钟相关的系统调用获得系统时间或设置定时器等。

进程的空间分为：内核空间和用户空间。系统调用是属于操作系统内核的一部分，运行在内核态下，通过软件中断切换到内核态。

2、系统调用和库函数区别

系统调用是内核提供的一组函数接口。

库函数是第三方（用户提供）的函数接口。

如果库函数没有调用系统调用该库函数不能操作内核。比如：字符串操作函数strcpy， bzero

如果库函数调用系统调用该库函数能操作内核。比如：fopen fclose fwrite fget

3、系统调用及IO操作

系统调用是需要时间的，程序中频繁的使用系统调用会降低程序的运行效率。文件IO中缓冲区刷新机制需要内核管理，库函数访问文件的时候根据需要，设置不同类型的缓冲区，从而减少了直接调用IO系统调用的次数，提高了访问效率。

二、文件描述符

1、概述

在 Linux的世界里一切设备皆文件，我们可以系统调用I/O 的函数（I：input,输入;0：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。

        Linux将系统调用打开或新建的文件用非负整数来表示。而这个非负整数就是文件描述符。

        系统会为每一个进程文件分配一个文件描述符表，管理该进程的所有文件描述符。

        系统会为每一个进程文件打开三个文件描述符：0,1,2

0：标准输入设备（键盘） scanf
1：标准输出设备（终端）printf
2：标准错误输出（终端）perror

2、文件描述符表对文件描述符的管理

文件描述符表是通过 “位图” 来管理文件描述符。使用1024位（0-1023）二进制位管理，位数代表的就是文件描述符，位上的值1表示打开，值0表示关闭，前三位（0-2）为标准文件描述符。打开文件的时候默认选择最小可用的文件描述符（3）给打开的文件用。

3、查看当前系统文件描述符最大数量ulimit -a

查看命令：ulimit -a

修改命令：ulimit -n 2048

三、文件IO的操作

文件常用操作IO:open close read write

1、打开文件 open

头文件：

#include<sys/type.h>

#include<sys/stat.h>

#include <funtl.h>

2、close 关闭文件描述符

头文件：#include<unistd.h>

函数：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并存放在全局变量errno中

注意：close工作步骤，先将文件描述符的数量-1，当文件描述符的数量变为0的时候，系统回收文件描述符所占的内核空间。

3、向文件写数据write

头文件：#include<unistd.h>

函数：size_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

功能：把指定数目的数据写到文件fd中

参数：

        fd : 文件描述符

        buf : 数据首地址

        count : 写入数据的长度（字节）

返回值：成功：实际写入数据的字节个数失败： - 1

4、read读取文件数据

#include<unistd.h>

size_t read(int fd, void *buf, 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

        buf : 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，读完文件数据返回0         失败： - 1

5、综合案例：实现cp(copy)命令

举例：cp b.txt test 将b.txt文件拷贝到test目录中

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/fcntl.h>
int main(int argc,char *argv[])//argc为传参个数，指针数组argv存放每个参数的内容
{
    //判断参数是否正确（./a.out a.txt test）
    //若正确，argc=3，argv[0]=./a.out,argv[1]=a.txt,argy[2]=test
    if(argc!=3)
    {
        printf("缺少参数");
        return 0;
    }
    //以只读的方式 打开a.txt文件
    int fp_r=open(argv[1],O_RDONLY);
    if(fp_r<0)
    {
        perror("open");
        return 0;
    }
    //以写的方式 在test目录中打开a.txt
    char filename[32]="";
    sprintf(filename,"%s/%s",argv[2],argv[1]);
    int fp_w=read(filename,O_WRONLY|O_CREAT,0666);
    if(fp_w<0)
    {
        perror("open");
        return 0;
    }

    //不同的从fd_r中读取文件数据 写入fd_w文件中
    while(1)
    {
    unsigned char buf[128]="";
    int len=read(fp_r,buf,sizeof(buf));
    if(len<=0)
        break;
    printf("读取的数据大小为%d",len);
    write(fp_w,buf,sizeof(buf));
    }
    //关闭文件
    close(fp_r);
    close(fp_w);
    return 0;
}

四、文件的阻塞特性

对于一些设备文件读写操作,如管道,套接字,标准设备文件,默认缓冲区没有数据读会带阻塞,默认缓存区满的状态,写也会阻塞。

文件描述符决定阻塞和非阻塞，而不是read write函数。文件描述符默认为阻塞的。

1、open打开文件默认为阻塞特性

文件描述符事先不存在用open。如果从终端输入的数据没有换行符，默认调用read读终端设备就会阻塞。

2、 open打开文件设置为非阻塞特性

3、通过fcntl设置文件的阻塞特性

文件描述符事先存在用funtl。功能：改变已打开的文件性质，fcntl针对描述符提供控制。

头文件：

#include<unistd.h>

#include<fcntl.h>

函数：

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参数：

fd：操作的文件描述符

cmd：操作方式

arg：针对cmd的值，fcntl能够接受第三个参数int arg。

返回值：成功：返回某个其他值失败：-1

fcntl函数有5种cmd功能：

复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）
获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD)
获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL)
获得／设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN)
获得／设置记录锁(cmd=F_GETLK, F_SETLK或F_SETLKW)

设置一个存在的文件描述符的阻塞特性的步骤

fcntl获取文件描述符的状态标记
修改获取到的文件描述符的状态标记
将修改后的状态标记使用fcntl设置到文件描述符中

五、获取文件的状态信息

头文件：

#include<sys/type.h>

#include<sys/stat.h>

#include<unistd.h>

函数：

int stat(const char *path, struct stat *buf);

int lstat(const char *pathname, struct stat *buf);

功能：获取文件状态信息

stat和lstat的区别：当文件是一个符号链接时，lstat返回的是该符号链接本身的信息；而stat返回的是该链接指向的文件的信息。

参数：

path/pathname：文件名

buf：保存文件信息的结构体

返回值：成功： 0 失败: -1

struct stat结构体说明：

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)
    blksize_t st_blksize; //块大小(文件系统的I/O 缓冲区大小)
    blkcnt_t 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)
};

st_mode(16位整数)参数说明 :

由于上述形式的测试是普通的，因此POSIX定义了其他宏，以便更简洁地编写st_mode中的文件类型测试：

S_ISREG(st_mode)	是否是普通文件(regular file)
S_ISDIR(st_mode)	是否是目录文件(directory)
S_ISCHR(st_mode)	是否是字符设备(character device)
S_ISBLK(st_mode)	块设备(block device)
S_ISFIFO(st_mode)	管道
S_ISLNK(st_mode)	符号链接(软连接）

st_mode控件的文件模式组件定义了下列掩码值:

六、文件目录操作

读取一个目录下的所有文件名

头文件：

#include<sys/types.h>

#include<dirent.h>

函数：

DIR *opendir(const char *name);

功能：打开一个目录

参数name：目录名

返回值：成功：返回指向该目录结构体指针失败：NULL

2、读取目录

#include<dirent.h>

struct dirent *readdir(DIR *dirp);

功能：读取目录调用一次只能读取一个文件

参数 dirp：opendir的返回值

返回值：成功：目录结构体指针失败：NULL

结构体dirent说明：

struct dirent
{
    ino_t d_ino; // 此目录进入点的inode
    off_t d_off; // 目录文件开头至此目录进入点的位移
    signed short int d_reclen; // d_name 的内容长度, 不包含NULL 字符
    unsigned char d_type; // d_type 所指的文件类型
    char d_name[256]; // 文件名
};

d_type相关数据：

3、关闭目录

头文件：

#include<sys/types.h>

#include<dirent.h>

函数：

int closedir(DIR *dirp);

功能：关闭目录

参数dirp：opendir返回的指针

返回值：成功：0 失败：-1

取值	含义
O_CREAT	文件不存在则创建文件，文件存在则先删除再重新创建文件，使用此选项时需使用mode说明文件的权限
O_EXCL	如果同时指定了O_CREAT，且文件已经存在，则出错（防止已有文件被删除）
O_TRUNC	如果文件存在，则清空文件内容
O_APPEND	写文件时，数据添加到文件末尾
O_NONBLOCK	对于设备文件, 以O_NONBLOCK方式打开可以做非阻塞I/O