每个系统都有自己的专属函数，我们习惯称其为系统函数。系统函数并不是内核函数，因为内核函数是不允许用户使用的，系统函数就充当了二者之间的桥梁，这样用户就可以间接的完成某些内核操作了。
在前面介绍了文件描述符，在Linux系统中必须要使用系统提供的IO函数才能基于这些文件描述符完成对相关文件的读写操作。这些Linux系统IO函数和标准C库的IO函数使用方法类似，函数名称也类似，下边开始一一介绍。
- open/close
1.1 函数原型
通过open函数我们即可打开一个磁盘文件，如果磁盘文件不存在还可以创建一个新的的文件，函数原型如下：
C
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#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
/*
open是一个系统函数, 只能在linux系统中使用, windows不支持
fopen 是标准c库函数, 一般都可以跨平台使用, 可以这样理解:
- 在linux中 fopen底层封装了Linux的系统API open
- 在window中, fopen底层封装的是 window 的 api
*/
// 打开一个已经存在的磁盘文件
int open(const char *pathname, int flags);
// 打开磁盘文件, 如果文件不存在, 就会自动创建
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
参数介绍:
pathname: 被打开的文件的文件名
flags: 使用什么方式打开指定的文件，这个参数对应一些宏值，需要根据实际需求指定
必须要指定的属性, 以下三个属性不能同时使用, 只能任选其一
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
可选属性, 和上边的属性一起使用
O_APPEND: 新数据追加到文件尾部, 不会覆盖文件的原来内容
O_CREAT: 如果文件不存在, 创建该文件, 如果文件存在什么也不做
O_EXCL: 检测文件是否存在, 必须要和 O_CREAT 一起使用, 不能单独使用: O_CREAT | O_EXCL
检测到文件不存在, 创建新文件
检测到文件已经存在, 创建失败, 函数直接返回-1（如果不添加这个属性，不会返回-1）
mode: 在创建新文件的时候才需要指定这个参数的值，用于指定新文件的权限，这是一个八进制的整数
这个参数的最大值为：0777
创建的新文件对应的最终实际权限, 计算公式: (mode & ~umask)
umask 掩码可以通过 umask 命令查看
SHELL
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$ umask
0002
假设 mode 参数的值为 0777, 通过计算得到的文件权限为 0775
SHELL
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umask(文件掩码): 002(八进制) = 000000010 (二进制)
~umask(掩码取反): ~000000010 (二进制) = 111111101 (二进制)
参数mode指定的权限为: 0777(八进制) = 111111111(二进制)
计算公式: mode & ~umask
111111111
& 111111101
------------------
111111101 二进制
------------------
mod=0775 八进制
返回值:
成功: 返回内核分配的文件描述符, 这个值被记录在内核的文件描述符表中，这是一个大于0的整数
失败: -1
1.2 close函数原型
通过open函数可以让内核给文件分配一个文件描述符, 如果需要释放这个文件描述符就需要关闭文件。对应的这个系统函数叫做 close，函数原型如下：
C
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#include <unistd.h>
int close(int fd);
函数参数: fd 是文件描述符, 是open() 函数的返回值
函数返回值: 函数调用成功返回值 0, 调用失败返回 -1
1.3 打开已存在文件
我们可以使用open()函数打开一个本地已经存在的文件, 假设我们想要读写这个文件, 操作代码如下:
C
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// open.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
// 打开文件
int fd = open(“abc.txt”, O_RDWR);
if(fd == -1)
{
printf(“打开文件失败\n”);
}
else
{
printf(“fd: %d\n”, fd);
}
close(fd);
return 0;
}
编译并执行程序
SHELL
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$ gcc open.c
$ ./a.out
fd: 3 # 打开的文件对应的文件描述符值为 3
1.4 创建新文件
如果要创建一个新的文件，还是使用 open 函数，只不过需要添加 O_CREAT 属性, 并且给新文件指定操作权限。
C
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
// 创建新文件
int fd = open(“./new.txt”, O_CREAT|O_RDWR, 0664);
if(fd == -1)
{
printf(“打开文件失败\n”);
}
else
{
printf(“创建新文件成功, fd: %d\n”, fd);
}
close(fd);
return 0;
}
SHELL
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$ gcc open1.c
$ ./a.out
创建新文件成功, fd: 3
假设在创建新文件的时候, 给 open 指定第三个参数指定新文件的操作权限, 文件也是会被创建出来的, 只不过新的文件的权限可能会有点奇怪, 这个权限会随机分配而且还会出现一些特殊的权限位, 如下:
SHELL
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$ $ ll new.txt
-r-x–s–T 1 robin robin 0 Jan 30 16:17 new.txt* # T 就是一个特殊权限
1.5 文件状态判断
在创建新文件的时候我们还可以通过 O_EXCL进行文件的检测, 具体处理方式如下:
C
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
// 创建新文件之前, 先检测是否存在
// 文件存在创建失败, 返回-1, 文件不存在创建成功, 返回分配的文件描述符
int fd = open(“./new.txt”, O_CREAT|O_EXCL|O_RDWR);
if(fd == -1)
{
printf(“创建文件失败, 已经存在了, fd: %d\n”, fd);
}
else
{
printf(“创建新文件成功, fd: %d\n”, fd);
}
close(fd);
return 0;
}
编译并执行程序:
SHELL
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$ gcc open1.c
$ ./a.out
创建文件失败, 已经存在了, fd: -1
2. read/write
2.1 read
read 函数用于读取文件内部数据，在通过 open 打开文件的时候需要指定读权限，函数原型如下：
C
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#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
参数:
fd: 文件描述符, open() 函数的返回值, 通过这个参数定位打开的磁盘文件
buf: 是一个传出参数, 指向一块有效的内存, 用于存储从文件中读出的数据
传出参数: 类似于返回值, 将变量地址传递给函数, 函数调用完毕, 地址中就有数据了
count: buf指针指向的内存的大小, 指定可以存储的最大字节数
返回值:
大于0: 从文件中读出的字节数，读文件成功
等于0: 代表文件读完了，读文件成功
-1: 读文件失败了
2.2 write
write 函数用于将数据写入到文件内部，在通过 open 打开文件的时候需要指定写权限，函数原型如下：
C
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#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数:
fd: 文件描述符, open() 函数的返回值, 通过这个参数定位打开的磁盘文件
buf: 指向一块有效的内存地址, 里边有要写入到磁盘文件中的数据
count: 要往磁盘文件中写入的字节数, 一般情况下就是buf字符串的长度, strlen(buf)
返回值:
大于0: 成功写入到磁盘文件中的字节数
-1: 写文件失败了
2.3 文件拷贝
假设有一个比较大的磁盘文件, 打开这个文件得到文件描述符fd1，然后在创建一个新的磁盘文件得到文件描述符fd2, 在程序中通过 fd1 将文件内容读出，并通过fd2将读出的数据写入到新文件中。
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// 文件的拷贝
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
// 1. 打开存在的文件english.txt, 读这个文件
int fd1 = open(“./english.txt”, O_RDONLY);
if(fd1 == -1)
{
perror(“open-readfile”);
return -1;
}
// 2. 打开不存在的文件, 将其创建出来, 将从english.txt读出的内容写入这个文件中
int fd2 = open("copy.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0664);
if(fd2 == -1)
{
perror("open-writefile");
return -1;
}
// 3. 循环读文件, 循环写文件
char buf[4096];
int len = -1;
while( (len = read(fd1, buf, sizeof(buf))) > 0 )
{
// 将读到的数据写入到另一个文件中
write(fd2, buf, len);
}
// 4. 关闭文件
close(fd1);
close(fd2);
return 0;
}
3. lseek
系统函数 lseek 的功能是比较强大的, 我们既可以通过这个函数移动文件指针, 也可以通过这个函数进行文件的拓展。这个函数的原型如下:
C
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#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
参数:
fd: 文件描述符, open() 函数的返回值, 通过这个参数定位打开的磁盘文件
offset: 偏移量，需要和第三个参数配合使用
whence: 通过这个参数指定函数实现什么样的功能
SEEK_SET: 从文件头部开始偏移 offset 个字节
SEEK_CUR: 从当前文件指针的位置向后偏移offset个字节
SEEK_END: 从文件尾部向后偏移offset个字节
返回值:
成功: 文件指针从头部开始计算总的偏移量
失败: -1
3.1 移动文件指针
通过对 lseek 函数第三个参数的设置, 经常使用该函数实现如下几个功能， 如下所示：
文件指针移动到文件头部
C
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lseek(fd, 0, SEEK_SET);
得到当前文件指针的位置
C
1
lseek(fd, 0, SEEK_CUR);
得到文件总大小
C
1
lseek(fd, 0, SEEK_END);
3.2 文件拓展
假设使用一个下载软件进行一个大文件下载，但是磁盘很紧张，如果不能马上将文件下载到本地，磁盘空间就可能被其他文件占用了，导致下载软件下载的文件无处存放。那么这个文件怎么解决呢？
我们可以在开始下载的时候先进行文件拓展，将一些字符写入到目标文件中，让拓展的文件和即将被下载的文件一样大，这样磁盘空间就被成功抢到手，软件就可以慢悠悠的下载对应的文件了。
使用 lseek 函数进行文件拓展必须要满足一下条件：
文件指针必须要偏移到文件尾部之后， 多出来的就需要被填充的部分。
文件拓展之后，必须要使用 write()函数进行一次写操作（写什么都可以，没有字节数要求）。
文件拓展举例：
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// lseek.c
// 拓展文件大小
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int fd = open(“hello.txt”, O_RDWR);
if(fd == -1)
{
perror(“open”);
return -1;
}
// 文件拓展, 一共增加了 1001 个字节
lseek(fd, 1000, SEEK_END);
write(fd, " ", 1);
close(fd);
return 0;
}
查看执行执行的效果
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编译程序
$ gcc lseek.c
查看目录文件信息
$ ll
-rwxrwxr-x 1 robin robin 8808 May 6 2019 a.out*
-rwxrwxr-x 1 robin robin 1013 May 6 2019 hello.txt*
-rw-rw-r-- 1 robin robin 299 May 6 2019 lseek.c
执行程序, 拓展文件
$ ./a.out
在查看目录文件信息
$ ll
-rwxrwxr-x 1 robin robin 8808 May 6 2019 a.out*
-rwxrwxr-x 1 robin robin 2014 Jan 30 17:39 hello.txt* # 大小从 1013 -> 2014, 拓展了1001字节
-rw-rw-r-- 1 robin robin 299 May 6 2019 lseek.c
4. truncate/ftruncate
truncate/ftruncate 这两个函数的功能是一样的，可以对文件进行拓展也可以截断文件。使用这两个函数拓展文件比使用lseek要简单。这两个函数的函数原型如下：
C
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// 拓展文件或截断文件
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int truncate(const char *path, off_t length);
-
int ftruncate(int fd, off_t length);
参数：
path: 要拓展/截断的文件的文件名
fd: 文件描述符, open() 得到的
length: 文件的最终大小
文件原来size > length，文件被截断, 尾部多余的部分被删除, 文件最终长度为length
文件原来size < length，文件被拓展, 文件最终长度为length
返回值: 成功返回0; 失败返回值-1
truncate() 和 ftruncate() 两个函数的区别在于一个使用文件名一个使用文件描述符操作文件, 功能相同。
不管是使用这两个函数还是使用 lseek() 函数拓展文件，文件尾部填充的字符都是 0。
- perror
在查看Linux系统函数的时候, 我们可以发现一个规律: 大部分系统函数的返回值都是整形，并且通过这个返回值来描述系统函数的状态（调用是否成功了）。在man 文档中关于系统函数的返回值大部分时候都是这样描述的：
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RETURN VALUE
On success, zero is returned. On error, -1 is returned, and errno is set
appropriately.
如果成功，则返回0。出现错误时，返回-1，并给errno设置一个适当的值。
errno是一个全局变量，只要调用的Linux系统函数有异常（返回-1）, 错误对应的错误号就会被设置给这个全局变量。这个错误号存储在系统的两个头文件中：
/usr/include/asm-generic/errno-base.h
/usr/include/asm-generic/errno.h
得到错误号，去查询对应的头文件是非常不方便的，我们可以通过 perror 函数将错误号对应的描述信息打印出来
C
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#include <stdio.h>
// 参数, 自己指定这个字符串的值就可以, 指定什么就会原样输出, 除此之外还会输出错误号对应的描述信息
void perror(const char *s);
举例: 使用 perrno 打印错误信息
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// open.c
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int fd = open(“hello.txt”, O_RDWR|O_EXCL|O_CREAT, 0777);
if(fd == -1)
{
perror(“open”);
return -1;
}
close(fd);
return 0;
}
编译并执行程序
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$ gcc open.c
$ $ ./a.out
open: File exists # 通过 perror 输出的错误信息
6. 错误号
为了方便查询, 特将全局变量 errno 和错误信息描述的对照关系贴出:
6.1 Part1
信息来自头文件: /usr/include/asm-generic/errno-base.h
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#define EPERM 1 /* Operation not permitted /
#define ENOENT 2 / No such file or directory /
#define ESRCH 3 / No such process /
#define EINTR 4 / Interrupted system call /
#define EIO 5 / I/O error /
#define ENXIO 6 / No such device or address /
#define E2BIG 7 / Argument list too long /
#define ENOEXEC 8 / Exec format error /
#define EBADF 9 / Bad file number /
#define ECHILD 10 / No child processes /
#define EAGAIN 11 / Try again /
#define ENOMEM 12 / Out of memory /
#define EACCES 13 / Permission denied /
#define EFAULT 14 / Bad address /
#define ENOTBLK 15 / Block device required /
#define EBUSY 16 / Device or resource busy /
#define EEXIST 17 / File exists /
#define EXDEV 18 / Cross-device link /
#define ENODEV 19 / No such device /
#define ENOTDIR 20 / Not a directory /
#define EISDIR 21 / Is a directory /
#define EINVAL 22 / Invalid argument /
#define ENFILE 23 / File table overflow /
#define EMFILE 24 / Too many open files /
#define ENOTTY 25 / Not a typewriter /
#define ETXTBSY 26 / Text file busy /
#define EFBIG 27 / File too large /
#define ENOSPC 28 / No space left on device /
#define ESPIPE 29 / Illegal seek /
#define EROFS 30 / Read-only file system /
#define EMLINK 31 / Too many links /
#define EPIPE 32 / Broken pipe /
#define EDOM 33 / Math argument out of domain of func /
#define ERANGE 34 / Math result not representable */
6.2 Part2
信息来自头文件: /usr/include/asm-generic/errno.h
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#define EDEADLK 35 /* Resource deadlock would occur /
#define ENAMETOOLONG 36 / File name too long /
#define ENOLCK 37 / No record locks available */
/*
- This error code is special: arch syscall entry code will return
- -ENOSYS if users try to call a syscall that doesn’t exist. To keep
- failures of syscalls that really do exist distinguishable from
- failures due to attempts to use a nonexistent syscall, syscall
- implementations should refrain from returning -ENOSYS.
/
#define ENOSYS 38 / Invalid system call number */
#define ENOTEMPTY 39 /* Directory not empty /
#define ELOOP 40 / Too many symbolic links encountered /
#define EWOULDBLOCK EAGAIN / Operation would block /
#define ENOMSG 42 / No message of desired type /
#define EIDRM 43 / Identifier removed /
#define ECHRNG 44 / Channel number out of range /
#define EL2NSYNC 45 / Level 2 not synchronized /
#define EL3HLT 46 / Level 3 halted /
#define EL3RST 47 / Level 3 reset /
#define ELNRNG 48 / Link number out of range /
#define EUNATCH 49 / Protocol driver not attached /
#define ENOCSI 50 / No CSI structure available /
#define EL2HLT 51 / Level 2 halted /
#define EBADE 52 / Invalid exchange /
#define EBADR 53 / Invalid request descriptor /
#define EXFULL 54 / Exchange full /
#define ENOANO 55 / No anode /
#define EBADRQC 56 / Invalid request code /
#define EBADSLT 57 / Invalid slot */
#define EDEADLOCK EDEADLK
#define EBFONT 59 /* Bad font file format /
#define ENOSTR 60 / Device not a stream /
#define ENODATA 61 / No data available /
#define ETIME 62 / Timer expired /
#define ENOSR 63 / Out of streams resources /
#define ENONET 64 / Machine is not on the network /
#define ENOPKG 65 / Package not installed /
#define EREMOTE 66 / Object is remote /
#define ENOLINK 67 / Link has been severed /
#define EADV 68 / Advertise error /
#define ESRMNT 69 / Srmount error /
#define ECOMM 70 / Communication error on send /
#define EPROTO 71 / Protocol error /
#define EMULTIHOP 72 / Multihop attempted /
#define EDOTDOT 73 / RFS specific error /
#define EBADMSG 74 / Not a data message /
#define EOVERFLOW 75 / Value too large for defined data type /
#define ENOTUNIQ 76 / Name not unique on network /
#define EBADFD 77 / File descriptor in bad state /
#define EREMCHG 78 / Remote address changed /
#define ELIBACC 79 / Can not access a needed shared library /
#define ELIBBAD 80 / Accessing a corrupted shared library /
#define ELIBSCN 81 / .lib section in a.out corrupted /
#define ELIBMAX 82 / Attempting to link in too many shared libraries /
#define ELIBEXEC 83 / Cannot exec a shared library directly /
#define EILSEQ 84 / Illegal byte sequence /
#define ERESTART 85 / Interrupted system call should be restarted /
#define ESTRPIPE 86 / Streams pipe error /
#define EUSERS 87 / Too many users /
#define ENOTSOCK 88 / Socket operation on non-socket /
#define EDESTADDRREQ 89 / Destination address required /
#define EMSGSIZE 90 / Message too long /
#define EPROTOTYPE 91 / Protocol wrong type for socket /
#define ENOPROTOOPT 92 / Protocol not available /
#define EPROTONOSUPPORT 93 / Protocol not supported /
#define ESOCKTNOSUPPORT 94 / Socket type not supported /
#define EOPNOTSUPP 95 / Operation not supported on transport endpoint /
#define EPFNOSUPPORT 96 / Protocol family not supported /
#define EAFNOSUPPORT 97 / Address family not supported by protocol /
#define EADDRINUSE 98 / Address already in use /
#define EADDRNOTAVAIL 99 / Cannot assign requested address /
#define ENETDOWN 100 / Network is down /
#define ENETUNREACH 101 / Network is unreachable /
#define ENETRESET 102 / Network dropped connection because of reset /
#define ECONNABORTED 103 / Software caused connection abort /
#define ECONNRESET 104 / Connection reset by peer /
#define ENOBUFS 105 / No buffer space available /
#define EISCONN 106 / Transport endpoint is already connected /
#define ENOTCONN 107 / Transport endpoint is not connected /
#define ESHUTDOWN 108 / Cannot send after transport endpoint shutdown /
#define ETOOMANYREFS 109 / Too many references: cannot splice /
#define ETIMEDOUT 110 / Connection timed out /
#define ECONNREFUSED 111 / Connection refused /
#define EHOSTDOWN 112 / Host is down /
#define EHOSTUNREACH 113 / No route to host /
#define EALREADY 114 / Operation already in progress /
#define EINPROGRESS 115 / Operation now in progress /
#define ESTALE 116 / Stale file handle /
#define EUCLEAN 117 / Structure needs cleaning /
#define ENOTNAM 118 / Not a XENIX named type file /
#define ENAVAIL 119 / No XENIX semaphores available /
#define EISNAM 120 / Is a named type file /
#define EREMOTEIO 121 / Remote I/O error /
#define EDQUOT 122 / Quota exceeded */
#define ENOMEDIUM 123 /* No medium found /
#define EMEDIUMTYPE 124 / Wrong medium type /
#define ECANCELED 125 / Operation Canceled /
#define ENOKEY 126 / Required key not available /
#define EKEYEXPIRED 127 / Key has expired /
#define EKEYREVOKED 128 / Key has been revoked /
#define EKEYREJECTED 129 / Key was rejected by service */
/* for robust mutexes /
#define EOWNERDEAD 130 / Owner died /
#define ENOTRECOVERABLE 131 / State not recoverable */
#define ERFKILL 132 /* Operation not possible due to RF-kill */
#define EHWPOISON 133 /* Memory page has hardware error */
文章作者: 苏丙榅
作者: 苏丙榅
链接: https://subingwen.cn/linux/file-io/
来源: 爱编程的大丙
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