基于文件描述符的读写文件操作

基于文件描述符的读写文件操作

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void* buf, size_t count);	//文件描述符，缓冲区，缓冲区长度
ssize_t write(int fd, const void* buf, size_t count);//文件描述符，缓冲区，有效内容长度，

使用read和write系统调用可以读写文件，他们统称为不带缓冲的IO

• read的原理是将数据从文件对象的内核文件缓冲区拷贝到用户区内存buf

• write就相反，是将数据从用户态内存buf拷贝到内核区的文件对象内核文件缓冲区，并最终会写到磁盘上。

• 每次调用read或write都会印象下次读写位置，值得注意的是，读写位置信息是保存在内核文件对象当中。

//读取文件内容
int main(int argc, char* argv[]){
    ARGS_CHECK(argc,2);
    int fd = open(argv[1],O_RDWR);
    ERROR_CHECK(fd,-1,"open");
    
    printf("fd = %d",fd);
    
    char buf[1024];
    int ret = read(fd, buf, sizeof(buf));	//ret表示读取到的字节个数
    printf("buf = %s, ret = %d\n",buf,ret);
    
    close(fd);	//将文件描述符对应的文件对象的引用计数-1，若此时引用计数为0，则销毁文件对象
    return 0;
}

读写二进制文件

• 原则：什么类型写，就按什么类型读入。

下边将结构体数据写入文件，再将数据从文件中读到结构体变量中。

typedef struct student_s{
    int number;
    int score;
    char name[25];
}student_t;

int main(int argc, char* argv[]){
    student_t stus[] = {
        {1,99.5,"yfg"},
        {2,91.3,"abc"},
        {3,88,"jik"}
    };
    
    ARGC_CHECK(argc,3);
    int fdw = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    ERROR_CHECK(fdw,-1,"open");
    
    write(fdw,stus,sizeof(stus));
    
    student_t st[3];
    int fdr = open(argv[2], O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    ERROR_CHECK(fdr, -1, "open fdr");
    
    read(fdw,st,sizeof(st));
    
    for(int i = 0; i < 3; i++){
        printf("%d %f %s\n",st[i].number,st[i].score,st[i].name);
    }
    
    close(fdw);
    close(fdr);
    return 0;
}

读磁盘文件和设备文件的区别

值得注意的是，使用read读磁盘文件和设备文件的行为是有着明显差异

• 当都磁盘/设备文件时，如果文件/设备缓冲区内容长度超过count，那么本次会读取count个字节
• 当读取磁盘/设备文件时，如果文件/设备缓冲区存在剩余内容，且长度不足count，那么本次read会读取剩余文件内容。
• 当读取磁盘文件时，如果磁盘文件无剩余内容，read操作会立刻返回，返回值为0
• 当读取设备文件时，如果设备缓冲区无剩余内容，那么本次read会阻塞。

通过读写操作实现文件拷贝

int main(int argc, char* argv[]){
    ARGS_CHECK(argc,3);
    int fdr = open(argv[1],O_RDOPLY);
    ERROR(fd,-1,"open fdr");
    
    int fdw = open(argv[2],O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    ERROR(fd,-1,"open fdw");
    
    char buf[1024];
    ssize_t ret;
    
    //拷贝
    while((ret = read(fdr,buf,sizeof(buf))) != 0){
        write(fdw,buf,ret);
    }
    close(fdw);
    close(fdr);
    return 0;
}

用户态内存缓冲区buf的大小会影响read、write（系统调用）的执行次数。系统调用会导致cpu从用户态-内核态来回的一次切换，会产生时间开销。

buf过小，会频繁的切换状态，产生巨大的时间开销，而真正用于读写的时间比很小。所以buf缓冲区应该设置一个合理的范围。

文件偏移

系统调用lseek可以将文件对象的的文件读写偏移量设定到以whence为起点，偏移值为offset的位置。返回值是读写点距离文件起始位置所占的字节。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);//fd文件描述词
//whence 可以是下面三个常量的一个
//SEEK_SET 从文件头开始计算
//SEEK_CUR 从当前指针开始计算
//SEEK_END 从文件尾开始计算


int main(int argc, char *argv[])
{
    ARGS_CHECK(argc,2);
    int fd = open(argv[1],O_RDWR);
    ERROR_CHECK(fd,-1,"open");
    int ret = lseek(fd, 5, SEEK_SET);
    printf("pos = %d\n", ret);
    char buf[128] = {0};
    read(fd, buf, sizeof(buf));
    printf("buf = %s\n", buf);
    close(fd);
    return 0;
}

截断文件

使用ftruncate函数可以截断文件，从而控制文件的大小

#include <unistd.h>
int ftruncate(int fd, off_t length);

ftruncate会将fd指定的文件大小改为参数length指定的大小。参数fd为文件描述符，而且必须是以写入模式打开的文件，如果原来的文件大小比参数length大，则超过的部分会被删去，若比参数length小，文件会扩充到大小为length，并且多余的数据填充二进制0

int main(int argc, int argv){
    ARGS_CHECK(argc,2);
    int fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    ERROR_CHECK(fd,-1,"open");
    
    printf("fd = %d\n",fd);
    
    off_t length = 3;
    int ret = ftruncate(fd,length);
    ERROR_CHECK(ret, -1, "ftruncate");
   
    ssize_t filesize = lseek(fd,0L,SEEK_END);
    printf("new file size: %ld\n",filesize);
    
    close(fd);
    return 0;
}

文件映射

使用mmap系统调用可以实现文件映射功能，也就是将一个磁盘文件直接映射到用户态内存地址空间，这样、内存内容和磁盘一一对应，不在需要read、write系统调用就可以进行IO操作，直接读写内存数据就可。

需要注意的是：mmap不能修改文件的大小，所以进场配合ftruncate来使用。

#include <sys/mman.h>
void* mmap(void* adr, size_t len, int prot, int flag, int fd, off_t off);

• addr参数用于用于指定映射映射储存区的起始地址，一般设置为NULL，这样由系统自动分配（一般是分配在堆空间里面）
• fd参数是文件描述符，用来指定要建立映射的文件
• prot参数用来表示权限，其中PROT_READ | PROT_WRITE表示可读可写
• flag参数填写MAP_SHARED

//假设文内内容是hello
int main(int argc, char argv[]){
    ARGS_CHECK(argc,2);
    int fd = open(argv[1],O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    ERROR_CHECK(fd,-1,"open");
    
    char* p = (char*)mmap(NULL,5,PROT_READ|PREO_WRITE,MAP_SHARED,fd,0L);
    ERROR_CHECK(p,MAP_FAILED,"mmap");
    
    //建立映射之后就可以随机访问映射到内存的数据。
    for(int i = 0; i < 5; i++){
        printf("%c",*(p+i);
    }
    printf("\n");
	
    close(fd);
    return 0;
}

文件映射的底层原理

mmap和read/write的效率谁更高？这个答案依赖问题发生的场景。从原理来说read/write是让数据在文件对象和用户态内存之间来回进行拷贝，文件对象会和操作系统管理的内存区域（页缓存）相关联，数据最终持久化到磁盘上由操作系统负责。mmap的处理就更加粗暴，他直接把页缓存的一部分映射到用户态内存，这样对内存的操作就直接对应页缓存的操作。

这样看上去，mmap的效率总是会比read/write更高，应为他避免了一次数据在用户态和内核态之间的拷贝。但是考虑到read/write的特殊性质，他们总是顺序地而不是随机访问磁盘文件内容，所以操作系统可以根据这个特点进行优化。

最终经过测试，read/write在顺序读写性能更好，而mmap在随机访问性能更好。

注意：mmap只能映射磁盘文件，而read没有这些限制。

​ 尤其要注意mmap函数的返回值，若映射失败返回的是（void*）（-1） MAP_FAILED，而不是NULL.

​ 头文件：#include <sys/mman.h>