系统编程-文件I/O

淩亂°似流年 2023-06-22 05:19 12阅读 0赞

来源：公众号【编程珠玑】

作者：守望先生

ID：shouwangxiansheng

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我们都听过Linux下一切皆文件，实际上无论是普通的文件读写，还是网络IO读写，它们都有着类似的操作过程。本文通过基本文件IO操作，来了解Linux“一切文件”的读写。当然过程中穿插着很多其他内容。

## 文件I/O过程 ##

在介绍具体的函数使用之前，我必须说明一下文件I/O的基本过程。它们类似过程如下：

*  以某种模式打开文件，获取一个文件描述符
 *  对文件进行读写
 *  不需要时，关闭文件描述符

文件描述符是什么？你可以认为是一个对文件进行操作的凭据，你只有通过它才能对文件进行读写。它是一个非负整数。通常0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误（参考《[如何理解Linux shell中“2>&1”][Linux shell_2_1]》）。正是有了它们，你的简单程序才可以从控制台读入数据，输出日志，输出错误打印等等。

记得很小的时候，家里连压水的工具都没有，需要用水的时候，都是用一个小点的桶从井里打水。

类比文件I/O操作，打开井盖，拿到绑着绳子的水桶，就像是打开文件，获取文件描述符；而打水的过程，就像对文件进行读写；最后需要的时候，又把桶放回去，并盖上井盖；而这就像关闭文件描述符。

当然了，如果嫌弃里面的小桶打水太慢，有的人可能会用一担大桶用来装水，装满一担后，再挑走使用。而这个过程就像使用了缓冲。（参考《[不可不知的三种缓冲][Link 1]》）。

说了这么多废话，文件I/O到底怎么操作呢？本文介绍的是不带缓冲的I/O函数。

## 打开文件，获取文件描述符 ##

主要函数：

#include<fcntl.h>
    int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

参数解释：

*  pathname 文件名
 *  flags 打开选项

这里的文件名应该不用过多解释，但是flags需要做一些说明，  
它须指定以下五个中的一个：

*  O\_RDONLY 只读
 *  O\_WRONLY 只写
 *  O\_RDWR 可读可写
 *  O\_EXEC 执行打开
 *  O\_SEARCH 搜索打开（针对目录）

而下面的选项是可选的：

*  O\_APPEND 写时追加到文件末尾
 *  O\_CREAT 文件不存在时创建，且必须指定文件访问权限位
 *  O\_TRUNC 文件存在时，且以只写，或者读写方式打开，则截断长度为0
 *  ……

当打开成功时返回文件描述符，否则返回-1，并且设置errno。

## 读写操作 ##

读写操作主要有两个函数：

#include<unisdt.h>
    ssize_t read(int fd, void *buf,size_t nbytes);
    ssize_t write(int fd, const void *buf,size_t nbytes);

参数说明：

*  fd 文件描述符
 *  buf 要读写的内容
 *  nbytes 读写的内容大小

这里的fd就是前面拿到的文件描述符。篇幅有限， 本文暂不涉及具体的读写介绍。

## 关闭文件 ##

调用close函数即可，它的参数是前面打开的时候获得的文件描述符

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

成功返回0，失败则返回-1，并且会设置errno。

## 实例 ##

以上都太过理论化了，那么理论结合实际来看看，究竟是怎样的。

打开一个不存在的文件

这是最简单的情况，现在假设，当前目录下没有test.txt

//来源：公众号【编程珠玑】
    #include<stdio.h>
    #include<fcntl.h>
    #include<unistd.h>
    #include<string.h>
    #include <errno.h>
    int main(void)
    {
        int fd = open("test.txt",O_WRONLY);
        if(-1 == fd)
        {
            //perror("open failed:");
            printf("open failed:%s\n", strerror(errno)); 
            return -1;
        }
        printf("open ok\n");
        char test[] = "wechat:shouwangxiansheng\n";
        ssize_t len = write(fd,test,sizeof(test));
        if(-1 == len)
        {
            perror("write failed");
        }
        close(fd);
    }

运行报错：

open failed: No such file or directory

还记得前面说的，如果出错就会设置errno吗？当open返回-1（很多系统接口类似）时，就会设置errno，这个时候就可以调用perror接口打印对应的错误信息。便于我们定位问题。即：

perror("open failed:");
    printf("open failed:%s\n", strerror(errno));

上面两种方式都可以打印出错误信息，区别在于，前者输出到标准错误，后者输出到标准输出。

还记得在《[不可不知的三种缓冲][Link 1]》中说的吗？标准错误通常是不带缓冲的。

打开一个文件，不存在时创建

既然不存在时，会打开失败，那么不存在就创建好了，这就用到了O\_CREATE标志。因此修改open函数那一行：

int fd = open("test.txt",O_WRONLY | O_CREAT);

运行结果：

open ok

并且会在test.txt发现写入的内容。

注意到，多个标志使用|构成flags参数。

打开一个文件，存在时截断

好了，前面已经实现了文件不存在时，创建，存在时也可以正常打开，如果存在时，又不想要原先的内容？那就需要用到O\_TRUNC标志。  
修改open行如下：

int fd = open("test.txt",O_RDONLY | O_CREAT | O_TRUNC);

现在假设test.txt文件存在，且里面有内容，再次运行后，发现打开文件正常，且内容只有新加入的，而没有之前存在的。

在打开的文件后追加内容

如果想在打开的文件后追加内容，那么可以使用O\_APPEND标志：

int fd = open("test.txt",O_RDONLY | O_CREAT | O_APPEND);

这样如果原来test.txt中有内容，则可以往文件中追加内容。

只读打开的文件进行写操作

前面提到了5个打开标志，如果以只读方式尝试写会怎样？  
修改open行：

int fd = open("test.txt",O_RDONLY);

你会发现：

open ok
    write failed: Bad file descriptor

以只读方式打开，却尝试写，自然是会写失败了。因此对应的操作要设置对应的标志位，否则会失败。

## 总结 ##

以上就是文件I/O的基本操作。关键就三个步骤：

*  以某种模式打开
 *  操作
 *  关闭

其中的模式无非是前面提到的一些模式，如读，写，或可读可写，而操作，常见为写入内容，读出内容等等，关闭就更好理解了。以上。

错误处理原则：  
返回-1，则出错，会设置errno，可通过perror或者strerror打印错误信息。

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