IO系统-标准C的I/O和文件I/O

1.标准C的I/O

1.1常用函数和结构体

char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);  //整行输入
int printf(const char *format, …);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, …);
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
typedef struct iobuf{
    int cnt;         //剩余的字节数
    char *ptr;     //下一个字符的位置
    char *base;   //缓冲区的位置
    int flag;         //文件访问模式
    int fd;            //文件描述符
}FILE; 

标准I/O函数都是带缓存的。

stdin：标准输入，针对键盘

stdout：标准输出，针对屏幕

stderr：标准出错，针对屏幕

三个都是FILE类型的结构体指针，成为流指针

1.2标准C的IO缓存类型

1.全缓存

要求填满整个缓冲区后才进行I/O系统调用操作，对于磁盘文件通常使用全缓存访问。

2.行缓存

涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），使用行缓存；

行缓存满自动溢出；

碰到换行符自动输出。

行缓存案例line_buffer.c

3.无缓存

标准错误流stderr通常是不带缓存的，这使得错误信息能够尽快的显示出来。

2.文件I/O系统调用

2.1常用函数

打开文件：open()

创建文件：create()

关闭文件：close()

读取文件：read()

写入文件：write()

文件定位：lseek()

这些不带缓存的函数都是内核提供的系统调用，他们不是ANIC C的组成部分，是POSIX的组成部分。

系统调用与C库的差异：

标准库函数：遵循ISO标准，基于流的I/O，对文件指针（FILE结构体）进行操作。

系统调用：兼容POSIX标准，基于文件描述符的I/O，对文件描述符进行操作。

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create返回的文件描述符标识该文件，将其作为参数传给read或write。

在POSIX应用程序中，整数0、1、2被替换成符号常数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。Linux为1024

2.3 文件描述符和文件指针之间的转换

标准文件指针：

stdin 0

stdout 1

stderr 2

文件指针和文件描述符之间的转换函数：

FILE *fdopen(int fd, const char *mode); //文件描述符=>文件指针（fd=>FILE*）

int fileno(FILE *stream); //文件指针=>文件描述符（FILE *=>fd）

2.4 常用I/O系统调用函数说明

（1）open函数

#include <sys/types.h> //头文件标准路径/usr/include
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

返回：若成功返回文件描述符，出错返回-1

功能：打开或创建一个文件

参数：pathname：要打开或创建的文件路径

flags：用来说明此函数的多个选择项，O_RDONLY只读，O_WRONLY只写，O_RDWR读写

mode：新建文件的访问权限，对于open函数而言，仅当创建新文件时才使用第三个参数。

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

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

O_APPEND以追加模式打开文件，每次写时都追加到文件的尾端，但在网络文件系统进行操作时没有保证

O_CREAT如果指定的文件不存在，则按照mode参数指定的文件权限来创建文件

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，但在网络文件系统进行操作时没有保证

O_DIRECTORY如果参数pathname不是一个目录，则open出错

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

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操作设置为非阻塞方式

（2）create函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int create(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

此函数等效于open(pathname, O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, mode);

create的一个不足之处是它以只写方式打开所创建的文件。

（3）close函数

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

返回：若成功返回0，若出错返回-1

功能：关闭一个打开的文件。

（4）read函数

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

返回：读到的字节数，若已到文件尾为0，若出错为-1

功能：从文件中读取数据。

参数：fd：读取文件的文件描述符指针

buf：存放读取数据的缓存

count：要求读取一次数据的字节数

有多种情况可使实际读到的字节数小于要求读字节数

1. 读普通文件时，当读到要求字节数之前已达到了文件尾端
2. 当从终端设备读时，通常一次最多读一行
3. 当从网络读时，网络中的缓冲机制可能造成返回值小于所要求读的字节数
4. 某些面向记录的设备，例如磁带，一次最多返回一个记录
5. 进程由于信号造成中断

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。

（5）write函数

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

返回：若成功返回写的字节数，若出错返回-1

功能：向打开的文件中写数据

参数：fd：写入文件的文件描述符

buf：存放待写数据的缓存

count：要求写入一次数据的字节数

若返回值通常与count的值不同，表示出错

write出错的一个常见原因：磁盘已写满或者超过了对一个给定进程的文件长度限制

对于普通该文件，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_APPEDN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。

（5）lseek函数

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

返回：若成功则返回新的文件偏移量（绝对偏移量：相对起始位置），若出错返回-1

功能：定位一个已打开的文件

参数：fd：已打开文件的文件描述符

offset：位移量

whence：定位的位置，基准点。SEEK_SET：将该文件的位移量设置为距文件开始处offset个字节；SEEK_CUR：将文件的位移量设置为其当前值加offset，offset可正可负；SEEK_END：将该文件的位移量设置为文件长度加offset，offset可正可负，正数表示一个空洞文件。

lseek也可用来确定所涉及的文件是否可以设置位移量，如果文件描述符引用的是一个管道或FIFO，则lseek返回-1，并将errno设置为EPIPE。

每个打开的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、写操作都从文件偏移量处开始，并使偏移量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。

文件读写buffer的大小一般设置为磁盘块的大小，磁盘块的大小可以通过命令查看：

df -k查看分区

sudo tune2fs -l /dev/sda1其中有个信息是：Block size: 4096

（6）dup和dup2函数

#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);

返回：成功返回新文件描述符，出错返回-1

功能：文件描述符的复制

参数：oldfd：原先的文件描述符；newfd：新的文件描述符

说明：由dup返回的新文件描述符一定是当前可用文件描述符中的最小数值。

用dup2则可以用newfd参数指定新描述符的数值，如果newfd已经打开，则先将其关闭，若oldfd等于newfd，则dup2返回newfd，而不关闭它。

在进程间通信时可用来改变进程的标准输入和标准输出设备。

cat < 输入重定向文件 > 输出重定向文件 >> 追加输出重定向文件

dup2复制过程：

（7）fcntl函数

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct float *lock);

返回：若成功则依赖于cmd，若出错返回-1

功能：可以改变已经打开的文件性质

常见的功能：复制一个现存的描述符，新文件描述符作为函数值返回（cmd=F_DUPFD）；

获取/设置文件描述符标志（cmd=F_GETFD或F_SETFD）；

获取/设置文件状态标志（cmd=F_GETFL或F_SETFL）；

获取/设置文件锁（cmd=F_SETLK、cmd=F_GETLK、F_SETLKW）第三个参数为struct flock结构体。

cmd的常见取值：

F_DUPFD：复制文件描述符，新的文件描述符作为函数返回值返回

F_GETFD/F_SETFS：获取/设置文件描述符，通过第三个参数设置（arg）

F_GETFL/F_SETFL：获取/设置文件状态标志，通过第三个参数设置（arg），可以更改的几个标志是：O_APPEDN、O_NONBLOCK、O_SYNC、O_ASYNC(O_RDONLY、O_WRONLY和O_RDWR不适用)

给文件上锁：cmd:F_SETLK（非阻塞式）、F_GETLK和F_SETLKW（阻塞式）

struct flock{
　　short l_type;
　　off_t l_start;
　　short l_whence;
　　off_t l_len;
　　pid_t l_pid;
};

l_type：锁类型，F_RDLCK（共享读锁）、F_WRLCK（独占性写锁）或F_UNLCK（解锁一个区域）。

l_start、l_whence：要加锁或解锁的区域的起始地址，由l_start和l_whence两者决定，l_start是相对位移量，l_whence则决定相对位移量的起点。

l_len：表示区域的长度。

（9）ioctl函数

#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, int request, …);

返回：若成功则为其他值，出错返回-1

说明：I/O操作的杂物箱。不能用其他函数表示的I/O操作通常都能用ioctl表示，终端I/O是ioctl的最大使用方面，主要用于设备的I/O控制。