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[操作系统]Linux文件操作的主要接口API及相关细节


操作系统API:

1、API是一些函数,这些函数是由linux系统提供支持的,由应用层程序来使用,应用层程序通过调用API来调用操作系统中的各种功能,来干活

文件操作的一般步骤:

1、在linux系统中要操作一个文件,一般是先open打开一个文件,得到一个文件描述符,然后对文件进行读写操作(或其他操作),最后close关闭文件即可

2、文件平时是存在块设备中的文件系统中的,我们把这种文件叫静态文件。当我们去open打开一个文件时,linux内核做的操作包括:内核在进程中建立了一个打开文件的数据结构,记录下我们打开的这个文件;内核在内存中申请一段内存,并且将静态文件的内容从块设备中读取到内存中特定地址管理存放(叫动态文件)。打开文件后,以后对这个文件的读写操作,都是针对内存中这一份动态文件的,而并不是针对静态文件的。当我们对动态文件进行读写后,此时内存中的动态文件和块设备中的静态文件就不同步了,当我们close关闭动态文件时,close内部内核将内存中的动态文件的内容去更新(同步)块设备中的静态文件。

3、为什么要这么设计?

以为块设备本身有读写限制(回忆NnadFlash、SD等块设备的读写特征),本身对块设备进行操作非常不灵活。而内存可以按字节为单位来操作,而且可以随机操作(内存就叫RAM,random),很灵活。所以内核设计文件操作时就这么设计了

 

文件描述符:

1、文件描述符其实实质是一个数字,这个数字在一个进程中表示一个特定的含义,当我们open打开一个文件时,操作系统在内存中构建了一些数据结构来表示这个动态文件,然后返回给应用程序一个数字作为文件描述符,这个数字就和我们内存中维护这个动态文件的这些数据结构挂钩绑定上了,以后我们应用程序如果要操作这一个动态文件,只需要用这个文件描述符进行区分。

2、文件描述符的作用域就是当前进程,出了当前进程这个文件描述符就没有意义了

 

实时查man手册

(1)当我们写应用程序时,很多API原型都不可能记得,所以要实时查询,用man手册

(2)man 1 xx查linux shell命令,man 2 xxx查API, man 3 xxx查库函数

 

读取文件内容

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

fd表示要读取哪个文件,fd一般由前面的open返回得到

buf是应用程序自己提供的一段内存缓冲区,用来存储读出的内容

count是我们要读取的字节数

返回值ssize_t类型是linux内核用typedef重定义的一个类型(其实就是int),返回值表示成功读取的字节数。

 

exit、_exit、_Exit退出进程

(1)当我们程序在前面步骤操作失败导致后面的操作都没有可能进行下去时,应该在前面的错误监测中结束整个程序,不应该继续让程序运行下去了。

(2)我们如何退出程序?

第一种;在main用return,一般原则是程序正常终止return 0,如果程序异常终止则return -1。

第一种:正式终止进程(程序)应该使用exit或者_exit或者_Exit之一

open函数的flag详解:

读写权限:O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR

O_RDONLY就表示以只读方式打开,

O_WRONLY表示以只写方式打开,

O_RDWR表示以可读可写方式打开

当我们附带了权限后,打开的文件就只能按照这种权限来操作

 

打开存在并有内容的文件时:O_APPEND、O_TRUNC

O_APPEND属性去打开文件时,如果这个文件中本来是有内容的,则新写入的内容会接续到原来内容的后面;

O_TRUNC属性去打开文件时,如果这个文件中本来是有内容的,则原来的内容会被丢弃

 

 1 fd = open("a.txt", O_RDWR | O_APPEND | O_TRUNC); 2   if (-1 == fd)    // 有时候也写成: (fd < 0) 3   { 4     printf("文件打开错误\n"); 5     // return -1; 6     _exit(-1); 7   } 8   else 9   {10     printf("文件打开成功,fd = %d.\n", fd);11   } 

 

打开不存在的文件时:O_CREAT、O_EXCL

open中加入O_CREAT后,不管原来这个文件存在与否都能打开成功,如果原来这个文件不存在则创建一个空的新文件,如果原来这个文件存在则会重新创建这个文件,原来的内容会被消除掉;

O_EXCL标志和O_CREAT标志结合使用时,则没有文件时创建文件,有这个文件时会报错提醒我们;

open函数在使用O_CREAT标志去创建文件时,可以使用第三个参数mode来指定要创建的文件的权限。mode使用4个数字来指定权限的,其中后面三个很重要,对应我们要创建的这个文件的权限标志。譬如一般创建一个可读可写不可执行的文件就用0666

 

 1   fd = open("a.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_EXCL, 0666); 2   if (-1 == fd)    // 有时候也写成: (fd < 0) 3   { 4     perror("文件打开错误"); 5     _exit(-1); 6   } 7   else 8   { 9     printf("文件打开成功,fd = %d.\n", fd);10   }

 

O_NONBLOCK

(1)阻塞与非阻塞。如果一个函数是阻塞式的,则我们调用这个函数时当前进程有可能被卡住(阻塞住,实质是这个函数内部要完成的事情条件不具备,当前没法做,要等待条件成熟),函数被阻塞住了就不能立刻返回;如果一个函数是非阻塞式的那么我们调用这个函数后一定会立即返回,但是函数有没有完成任务不一定。

(2)阻塞和非阻塞是两种不同的设计思路,并没有好坏。总的来说,阻塞式的结果有保障但是时间没保障;非阻塞式的时间有保障但是结果没保障。

(3)操作系统提供的API和由API封装而成的库函数,有很多本身就是被设计为阻塞式或者非阻塞式的,所以我们应用程度调用这些函数的时候心里得非常清楚。

(4)我们打开一个文件默认就是阻塞式的,如果你希望以非阻塞的方式打开文件,则flag中要加O_NONBLOCK标志。

(5)只用于设备文件,而不用于普通文件。

errno和perror

(1)errno就是error number,意思就是错误号码。linux系统中对各种常见错误做了个编号,当函数执行错误时,函数会返回一个特定的errno编号来告诉我们这个函数到底哪里错了。

(2)linux系统提供了一个函数perror(意思print error),perror函数内部会读取errno并且将这个不好认的数字直接给转成对应的错误信息字符串,然后print打印出来。

 

read和write的count

(1)count和返回值的关系:count参数表示我们想要写或者读的字节数,返回值表示实际完成的要写或者读的字节数。实现的有可能等于想要读写的,也有可能小于(说明没完成任务)

(2)count再和阻塞非阻塞结合起来,就会更加复杂。如果一个函数是阻塞式的,则我们要读取30个,结果暂时只有20个时就会被阻塞住,等待剩余的10个可以读。

(3)有时候我们写正式程序时,我们要读取或者写入的是一个很庞大的文件(譬如文件有2MB),我们不可能把count设置为2*1024*1024,而应该去把count设置为一个合适的数字(譬如2048、4096),然后通过多次读取来实现全部读完。

 

 1 ret = write(fd, writebuf, strlen(writebuf)); 2   if (ret < 0) 3   { 4     //printf("write失败.\n"); 5     perror("write失败"); 6     _exit(-1); 7   } 8   else 9   {10     printf("write成功,写入了%d个字符\n", ret);11   }

 

文件IO效率和标准IO

(1)文件IO就指的是open、close、write、read等API函数构成的一套用来读写文件的体系,这套体系可以很好的完成文件读写,但是效率并不是最高的。

(2)应用层C语言库函数提供了一些用来做文件读写的函数列表,叫标准IO。标准IO由一系列的C库函数构成(fopen、fclose、fwrite、fread),这些标准IO函数其实是由文件IO封装而来的(fopen内部其实调用的还是open,fwrite内部还是通过write来完成文件写入的)。标准IO加了封装之后主要是为了在应用层添加一个缓冲机制,这样我们通过fwrite写入的内容不是直接进入内核中的buf,而是先进入应用层标准IO库自己维护的buf中,然后标准IO库自己根据操作系统单次write的最佳count来选择好的时机来完成write到内核中的buf(内核中的buf再根据硬盘的特性来选择好的实际去最终写入硬盘中)。