Linux系统调用与文件I/O

1.1 Linux系统调用

所谓系统调用是指操作系统提供给用户程序的一组“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特殊服务。

在linux中用户程序不能直接访问内核提供的服务。为了更好的保护内核空间，将程序的运行空间分为内核空间和用户空间，他们运行在不同的级别上，在逻辑上是相互隔离的。

1.2 用户程序接口（API）

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。这些系统调用编程接口主要通过C库（libc）实现的。

2.1 文件I/O介绍

可用的文件I/O函数——打开文件、读文件、写文件等等。大多数linux文件I/O只需用到5个函数：open、read、write、lseek 以及close。

不带缓存指的是每个read和write都调用内核中的一个系统调用。这些不带缓存的I/O函数不是ANSI C的组成部分，但是P O S I X 组成部分。

2.2 文件描述符

对于内核而言，所有打开文件都由文件描述符引用。文件描述符是一个非负整数。当打开一个现存文件或创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。当读、写一个文件时，用open或creat返回的文件描述符标识该文件，将其作为参数传送给read或write。

在POSIX.1应用程序中，整数0、1、2应被代换成符号常数 STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO。这些常数都定义在头文件 <unistd.h>中。

文件描述符的范围是0~OPEN_MAX。早期的UNIX版本采用的上限值是19 (允许每个进程打开20个文件)，现在很多系统则将其增加至63。

2.3 open函数

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int oflag, …/*, mode_t mode * / ) ;

返回：若成功为文件描述符，若出错为-1

pathname是要打开或创建的文件的名字。

oflag参数可用来说明此函数的多个选择项。

对于open函数而言，仅当创建新文件时才使用第三个参数。

用下列一个或多个常数进行或运算构成oflag参数(这些常数定义在<fcntl.h>头文件中)：

O_RDONLY 只读打开。

O_WRONLY 只写打开。

O_RDWR 读、写打开。

O_APPEND 每次写时都加到文件的尾端。

O_CREAT 若此文件不存在则创建它。使用此选择项时，需同时说明第三个参数mode，用其说明该新文件的存取许可权位。

O_EXCL 如果同时指定了O_CREAT，而文件已经存在，则出错。这可测试一个文件是否存在，如果不存在则创建此文件成为一个原子操作。

O_TRUNC 如果此文件存在，而且为只读或只写成功打开，则将其长度截短为0。

O_NOCTTY 如果pathname指的是终端设备，则不将此设备分配作为此进程的控制终端。

O_NONBLOCK 如果pathname指的是一个FIFO、一个块特殊文件或一个字符特殊文件，则此选择项为此文件的本次打开操作和后续的I/O操作设置非阻塞方式。

O_SYNC 使每次write都等到物理I/O操作完成。

2.4 creat函数

可用creat函数创建一个新文件。

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

int creat(const char * pathname, mode_t mode);

返回：若成功为只写打开的文件描述符，若出错为-1。

注意，此函数等效于：

open (pathname, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode);

creat的一个不足之处是它以只写方式打开所创建的文件。

2.5 close函数

可用close函数关闭一个打开文件：

#include <unistd.h>

int close (int filedes)；

返回：若成功为0，若出错为-1

当一个进程终止时，它所有的打开文件都由内核自动关闭。很多程序都使用这一功能而不显式地用close关闭打开的文件。

Example:open.c

/*open.c*/

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

int main(void)

{

int fd;

if((fd = open("/tmp/hello.c", O_CREAT | O_TRUNC | O_WRONLY,0600 ))<0)

{

perror("open:");

exit(1);

}

else

printf("open file:hello.c %d/n",fd);

if( close(fd) < 0 )

{

perror("close:");

exit(1);

}

else

printf("Close hello.c/n");

exit(0);

}





2.6 lseek函数

每个打开文件都有一个与其相关联的“当前文件偏移量”。它是一个非负整数，用以度量从文件开始处计算的字节数。通常，读和写操作都从当前文件偏移量处开始，并使偏移量增加所读或写的字节数。按系统默认，当打开一个文件时，除非指定O_APPEND选择项，否则该位移量被设置为0。可以调用lseek显式地定位一个打开文件。

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

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

返回：若成功为新的文件位移，若出错为-1。

对参数offset的解释与参数whence的值有关。

n若whence是SEEK_SET，则将该文件的位移量设置为距文件开始处offset个字节。

n若whence是SEEK_CUR，则将该文件的位移量设置为其当前值加offset，offset可为正或负。

n若whence是SEEK_END，则将该文件的位移量设置为文件长度加offset，offset可为正或负。

若lseek成功执行，则返回新的文件位移量，为此可以用下列方式确定一个打开文件的当前位移量：

off_t curr_pos;

Curr_pos = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);

2.7 read函数

用read函数从打开文件中读数据

#include <unistd.h>

ssize_t read(int feledes, void *buff, size_t nbytes) ;

返回：读到的字节数，若已到文件尾为0，若出错为-1。如read成功，则返回读到的字节数。如已到达文件的尾端，则返回0。

有多种情况可使实际读到的字节数少于要求读字节数：

n 读普通文件时，在读到要求字节数之前已到达了文件尾端。例如，若在到达文件尾端之前还有30个字节，而要求读100个字节，则read返回30，下一次再调用read时，它将返回0 (文件尾端)。

n 当从终端设备读时，通常一次最多读一行。

n 当从网络读时，网络中的缓冲机构可能造成返回值小于所要求读的字节数。

n 某些面向记录的设备，例如磁带，一次最多返回一个记录。

读操作从文件的当前位移量处开始，在成功返回之前，该位移量增加实际读得的字节数。

2.8 write函数

用write函数向打开文件写数据。

#include <unistd.h>

ssize_t write(int filedes, const void * buff, size_t nbytes) ;

返回：若成功为已写的字节数，若出错为-1。

其返回值通常与参数nbytes的值不同，否则表示出错。write出错的一个常见原因是：磁盘已写满，或者超过了对一个给定进程的文件长度限制。

对于普通文件，写操作从文件的当前位移量处开始。如果在打开该文件时，指定了O_APPEND选择项，则在每次写操作之前，将文件位移量设置在文件的当前结尾处。在一次成功写之后，该文件位移量增加实际写的字节数。

见例：write.c

/*write.c*/

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#define MAXSIZE

int main(void)

{

int i,fd,size,len;

char *buf="Hello! I'm writing to this file!";

char buf_r[10];

len = strlen(buf);

buf_r[10] = '/0';

if((fd = open("/tmp/hello.c", O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR,0666 ))<0)

{

perror("open:");

exit(1);

}

else

printf("open file:hello.c %d/n",fd);

if((size = write( fd, buf, len)) < 0){

perror("write:");

exit(1);

}

else

printf("Write:%s/n",buf);

lseek( fd, 0, SEEK_SET );

if((size = read( fd, buf_r, 10))<0)

{

perror("read:");

exit(1);

}

else

printf("read form file:%s/n",buf_r);

if( close(fd) < 0 )

{

perror("close:");

exit(1);

}

else

printf("Close hello.c/n");

exit(0);

}