linux编程之文件操作

一、内核态与用户态

现代的CPU都具有不同的操作模式，代表不同的级别，不同的级别具有不同的功能，在较低的级别中将禁止某些操作。Linux系统设计时利用了这种硬件特性，使用了两个级别，最高级别和最低级别，内核运行在最高级别(内核态)，这个级别可以进行所有操作，而应用程序运行在较低级别(用户态)，在这个级别，处理器控制着对硬件的直接访问以及对内存的非授权访问。内核态和用户态有自己的内存映射，即自己的地址空间。正是有了不同运行状态的划分，才有了上下文的概念。用户空间的应用程序，如果想要请求系统服务，比如操作一个物理设备，或者映射一段设备空间的地址到用户空间，就必须通过系统调用来(操作系统提供给用户空间的接口函数)实现。如下图所示：

文件读写主要牵涉到了如下五个操作：打开、关闭、读、写、定位。在Linux系统中，提供了两套API，一套是C标准API：fopen、fclose、fread、fwrite、fseek，另一套则是POSIX定义的系统API：open、close、read、write、seek。

所谓系统调用是指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。例如用户可以通过进程控制相关的系统调用来创建进程、实现进程调度、进程管理等。

在这里，为什么用户程序不能直接访问系统内核提供的服务呢？这是由于在 Linux 中，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。 但是，在有些情况下，用户空间的进程需要获得一定的系统服务（调用内核空间程序），这时操作系统就必须利用系统提供给用户的“特殊接口”——系统调用规定用户进程进入内核空间的具体位 置。进行系统调用时，程序运行空间需要从用户空间进入内核空间，处理完后再返回到用户空间。

二、对文件操作有两种方式

A、系统调用方式，这个是基于具体的操作系统

B、调用C库函数方式

Linux 系统调用部分是非常精简的系统调用（只有 250 个左右），它继承了 UNIX 系统调用中最基本和最有用的部分。这些系统调用按照功能逻辑大致可分为进程控制、进程间通信、文件系统控制、系统控制、存储管理、网络管理、socket 控制、用户管理等几类。

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？这里用到的就是一个重要的概念——文件描述符。文件描述符是文件系统中连接用户空间和内核空间的枢纽，当我们打开一个或者创建一个文件时，内核空间会创建相应的结构，并且生成一个整型的变量传递给用户空间的对应进程，而进程则用这个文件描述符来对文件进行操作。要注意的是，文件描述符是一个有限的资源，因此，在使用完毕后要及时释放，一般是调用close()函数来关闭的。在linux系统中有3个已经分配好的文件描述符，那就是标准输入，标准输出和标准错误，他们的文件描述符分别为0,1,2。

IO操作时，操作系统要从用户态转换为内核态的，而这个转换过程相对来说比较慢，因此可以通过缓冲的形式减少转换到内核态的次数。那么，缓冲IO函数又是如何工作的呢？

1.   当用fopen打开文件时，除了分配文件句柄外，还额外申请了一个缓冲区。

2.   读文件时，会首先读到缓冲区中，然后返回用户需要的部分，多余的部分仍然放在缓冲区，下次再读的时候可以直接从缓冲区中返回。

3.   写文件时，会先写到缓冲区中，等缓冲区满后再统一写到文件中。

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）。 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。

三、linux下文件操作之系统调用函数

1.open() ,create()函数

在linux下，open()函数用于打开一个已经存在的文件或者创建一个新文件，而create()函数用于创建一个新的文件：

int open(constchar * pathname,int flags);

int open(constchar *pathname,int flags,mode_t mode);

int create(constchar *parhname,mode_t mode);

其中，flags为用户设置的标准，其可能值为：O_RDONLY（只读），O_WRONLY(只写），O_RDWR(读写），O_APPEND(追加)

O_CREAT(不存在则创建)等等，这里特别注意的是，当我们选择了O_CREAT时，则要在mode参数中设定新文件的权限。

pathname为文件路径

mode参数用于表示打开文件的权限，它必须与flags的O_CREAT结合使用。

2.读取文件read函数

ssize_t read(int fd,void *buf,size_t count)  

read函数是负责从fd中读取count字节内容并且放在buf开始的缓冲区。当读成功时，文件对应的读取位置指针向后移动位置、移动的大小为成功读取的字节数，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0 表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。

3.写文件write()函数

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

write函数将buf中的count字节内容写入文件描述符fd。成功时返回写的字节数，失败时返回-1，并设置errno变量。

4.文件偏移函数lseek()

每个打开的文件都有一个与其相关联的“当前文件偏移量”。通常，读、写操作都从当前文件偏移量处开始，并使偏移量增加所读写的字节数。

按系统默认的情况，当打开一个文件时，除非指定O_APPEND选项，否则该偏移量被设置为0。可以调用lseek显式地为一个打开的文件设置起偏移量。

 #include <unistd.h>

off_t lseek(int filedes, off_t offset,int whence);

返回值:成功返回新的文件偏移量，出错返回-1。对参数offset的解释与参数whence的值有关。

若是SEEK_SET,则将该文件的偏移量设置为距文件开始处offset个字节。

若是SEEK_CUR,则将该文件的偏移量设置为当前值加offset，offset可为正或负。

若是SEEK_END,则将该文件的偏移量设置为文件长度加offset，offset可为正或负。

可以用下列方式确定打开文件的当前偏移量:

off_t    currpos;

currpos = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);

这种方法也可用来确定所涉及的文件是否可以设置偏移量。如果文件描述符引用的是一个管道、FIFO或网络套接字，则lseek返回-1，并将errno设置为ESPIPE。通常，文件的当前偏移量应当是一个非负整数，但是，某些设备也可能允许负的偏移量。但对于普通文件，则其偏移量必须是非负值。因为偏移量可能是负值，所有在比较lseek的返回值时应当谨慎，不要测试它是否小于0，而要测试它是否等于-1。

lseek仅将当前的文件偏移量记录在内核中，它并不引起任何I/O操作。

文件偏移量可以大于文件的当前长度，在这种情况下，对该文件的下一次写将加长该文件，并在文件中构成了一个空洞。位于文件中但没有写过的字节都被读为0。文件中的空洞并不要求在磁盘上占用存储区。

5.close函数关闭一个已打开的文件

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

返回值：成功返回0，出错返回-1并设置errno

参数fd是要关闭的文件描述符。需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。但是对于一个长年累月运行的程序（比如网络服务器），打开的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源。

四、linux下文件操作之C库函数

1、fopen

函数原型    FILE *fopen(const char *path,cost char *mode)

作用：打开一个文件，返回指向该文件的指针

参数说明：第一个参数为欲打开文件的文件路径及文件名，第二个参数表示对文件的打开方式

注：mode有以下值：

r：只读方式打开，文件必须存在

r+：可读写，必须存在

rb+：打开二进制文件，可以读写

rt+:打开文本文件，可读写

w:只写，文件存在则文件长度清0，文件不存在则建立该文件

w+:可读写，文件存在则文件长度清0，文件不存在则建立该文件

a:附加方式打开只写，不存在建立该文件，存在写入的数据加到文件尾，EOF符保留

a+：附加方式打开可读写，不存在建立该文件，存在写入的数据加到文件尾，EOF符不保留

wb：打开二进制文件，只写

wb+:打开或建立二进制文件，可读写

wt+:打开或建立文本文件，可读写

at+:打开文本文件，可读写，写的数据加在文本末尾

ab+:打开二进制文件，可读写，写的数据加在文件末尾

由mode字符可知，上述如r、w、a在其后都可以加一个b，表示以二进制形式打开文件

返回值：文件打开了，返回一个指向该打开文件的指针(FILE结构)；文件打开失败，错误上存error code(错误代码)

注意：在fopen操作后要进行判断，是否文件打开，文件真正打开了才能进行后面的读或写操作，如有错误要进行错误处理

例：FILE *pfile=fopen(const char*filename,"rb");

打开文件流还有一个支持宽字符的函数，如下

FILE *_wfopen(constwchar_t *filename,const wchar_t *mode)

2、fread

函数原型:size_t fread(void*buff,size_t size,size_t count,FILE* stream)

作用：从文件中读入数据到指定的地址中

参数：第一个参数为接收数据的指针(buff),也即数据存储的地址

第二个参数为单个元素的大小，即由指针写入地址的数据大小，注意单位是字节

第三个参数为元素个数，即要读取的数据大小为size的元素个素

第四个参数为提供数据的文件指针，该指针指向文件内部数据

返回值：读取的总数据元素个数

例：

int  num,count;

int* pr=newint[num*count];

fread(pr, num*4, count,stream);   // stream为fopen中返回的FILE指针

要将数据写入pr中，必须为pr分配内存，一个int为4个字节，所以要x4

3、fseek

函数原型：int fseek(FILE *stream,longoffset,int framewhere)

作用：重定位文件内部的指针

参数：第一个为文件指针，第二个是指针的偏移量，第三个是指针偏移起始位置

返回值：重定位成功返回0，否则返回非零值

需要注意的是该函数不是重定位文件指针，而是重定位文件内部的指针，让指向文件内部数据的指针移到文件中我们感兴趣的数据上，重定位主要是这个目的。

说明：执行成功，则stream指向以fromwhere为基准，偏移offset个字节的位置。执行失败(比方说offset偏移的位置超出了文件大小)，则保留原来stream的位置不变

4、 fwrite

向文件读入写入一个数据块

fwrite(constvoid*buffer,size_t size,size_t count,FILE*stream);

（1）buffer：是一个指针，对fwrite来说，是要输出数据的地址。

（2）size：要写入的字节数；

（3）count:要进行写入size字节的数据项的个数；

（4）stream:目标文件指针。

说明：写入到文件的哪里？这个与文件的打开模式有关，如果是r＋，则是从filepointer指向的地址开始写，替换掉之后的内容，文件的长度可以不变；如果是a＋，则从文件的末尾开始添加，文件长度加大，而且是fseek函数对此函数没有作用。

5、fputc函数

fputc函数的作用就是将一个字符写入到文件中，其调用形式为：

fputc(ch,pFile);

其中ch就是要写入的字符，pFile是指向FILE结构的指针，通过fopen函数打开文件即可获取pFile。

写入文件有可能会失败，但怎么才能知道是否正确写入到文件了呢？这时候就需要看fputc函数的返回值了，fputc函数如果成功的将字符写入到文件了，则其返回值就是写入的那个字符，如果失败，则返回EOF(End Of File的意思)。EOF是一个符号常量，在stdio.h中EOF被定义为-1，因此见到EOF把他当做-1就是了。

6、fgetc函数

知道fputc是做什么的了，fgetc基本也就知道了，这个就是从文件中读入一个字符的函数，其调用形式为：

ch=fgetc(pFile);

参数pFile和fputc函数的参数一样，只不过少了一个参数ch，跑到返回值这里了。当fgetc成功从文件中读入字符后，ch就是读取到的字符，如果读取失败，则ch=EOF。

7、fscanf()

从文件指针fp指向的文件中，按format中对应的控制格式读取数据，并存储在agars对应的变量中；

原型:fscanf(FILE *fp, const char *format, agars)

8、fprintf()

将agars(参数表)内各项的值，按format(格式控制字符串)所表示的格式，将数据格式为字符串的形式写入到文件指针fp指向的文件中。

原型：fprintf(FILE*fp, const char *format, agars)

 例fprintf(stderr, "Can not open inputfile.\n");

fprintf(stream, "%s%c", s, c);


char name[20] = "Mary";
FILE *out;
out = fopen( "output.txt", "w" );
if( out != NULL )
fprintf( out, "Hello %s\n", name );
对于其输出格式参数,和printf()一样。


代码来自http://blog.chinaunix.net/uid-26663150-id-3171467.html

1.#include <sys/types.h>
2.#include <sys/stat.h>//该头文件包含文件权限“读写执行”设置
3.#include <fcntl.h>//该头文件包含open，read，write，close等系统调用
4.#include <stdio.h>
5.#include <errno.h> 
6.	
7.#define BUFFER_SIZE 1024  
       //argc: 整数,用来统计你运行程序时送给main函数的命令行参数的个数
       //* argv[ ]: 字符串数组，用来存放指向你的字符串参数的指针数组，每一个元素指向一个参数
8.int main(int argc,char **argv) 
9.{ 
10.int from_fd,to_fd; 
11.int bytes_read,bytes_write; 
12.char buffer[BUFFER_SIZE]; 
13.char *ptr; 
14.	
15.    if(argc!=3) //传入的参数的个数是否符合要求，如下图的错误信息
16.    {    
17.	    fprintf(stderr,"Usage:%s fromfile tofile/n/a",argv[0]); 
18.	    exit(1); 
19.	} 
20.	
21.	/* 打开源文件，此处即是打开argv[1]，也即是传入的第一个参数cp1文件 */ 
22.	if((from_fd=open(argv[1],O_RDONLY))==-1) 
23.	{ 
24.	    fprintf(stderr,"Open %s Error:%s/n",argv[1],strerror(errno)); 
25.	    exit(1); 
26.	} 
27.	
28.	/* 创建目的文件，也即是传入的第二个参数cp2，因为没有，所以即是创建cp2文件 */ 
29.	if((to_fd=open(argv[2],O_WRONLY|O_CREAT,S_IRUSR|S_IWUSR))==-1) 
30.	{ 
31.	    fprintf(stderr,"Open %s Error:%s/n",argv[2],strerror(errno)); 
32.	    exit(1); 
33.	} 
34.	
35.	/* 以下代码是一个经典的拷贝文件的代码，把cp1文件的内容传到文件cp2中 */ 
36.	
37.	while(bytes_read=read(from_fd,buffer,BUFFER_SIZE)) //首先打开cp1文件，第二次读的时候若第一次读完了就读出的字节数为0，就退出循环了。
38.	{ 
39.	    /* 一个致命的错误发生了 */ 
40.	    if((bytes_read==-1)&&(errno!=EINTR)) break; 
41.	    else if(bytes_read>0) //打开成功
42.	        { 
43.	        	ptr=buffer; 
                        while(bytes_write=write(to_fd,ptr,bytes_read)) //向另一文件cp2写入cp1的内容
                        { 
44.	                   /* 一个致命错误发生了 */ 
                           if((bytes_write==-1)&&(errno!=EINTR))break; 
45.	                   /* 写完了所有读的字节 */ 
                           else if(bytes_write==bytes_read) break; 
46.	                   /* 只写了一部分,继续写 */ 
                           else if(bytes_write>0) 
                               { 
                                     ptr+=bytes_write; //ptr= ptr+ bytes_write(写过的末尾处) 
                                     bytes_read-=bytes_write; //将要写的长度=刚才长度-已写长度 
                               } 
                        } 
47.	               /* 写的时候发生的致命错误 */ 
                         if(bytes_write==-1)break; 
                  } 
48.	} 
49.close(from_fd); 
50.close(to_fd); 
51.exit(0); 
52.}