Linux 文件操作——系统调用和标准I/O库

黎2094

一、什么是文件




在讲述文件操作之前，我们首先要知道什么是文件。看到这个问题你可能会感觉到可笑，因为对于用过计算机的人来说，文件是最简单不过的概念了，例如一个文本是一个文件，一个work文档是一个文件等。但是在Linux中，文件的概念还远不止于这些，在Linux中，一切（或几乎一切）都是文件。文件包括很多的内容，例如：大家知道的普通文件是文件，目录也是一个文件，设备也是一个文件，管道也是一个文件等等。对于目录、设备这些的操作也可以完全等同于对纯文本文件的操作，这也是Linux非常成功的特性之一吧。




二、系统调用




1、文件描述符

文件描述符是一些小数值，你可以通过它们访问的打开的文件设备，而有多少文件描述符可用取决于系统的配置情况。但是当一个程序开始运行时，它一般会有3个已经打开的文件描述符，就是

0：标准输入

1：标准输出

2：标准错误

那些数学（即0、1、2）就是文件描述符，因为在Linux上一切都是文件，所以标准输入（stdin），标准输出（stdout）和标准错误（stderr）也可看作文件来对待。




2、系统调用常用函数




A、open系统调用




open函数的原型为：

int open(const char *path, int oflags);

int open(const char *path, int oflags, mode_t mode);




path，是包括路径的完整文件名，oflags是文件访问模式（即是什么方式打开文件，只读、只写还是可读并可写等），mode用于设定文件的访问权限。具体的可选参数，可以自己查看手册页，这里不一一详述。




open建立了一条到文件或设备的访问路径，如果调用成功，返回一个可以被read、write等其他系统调用的函数使用的文件描述符，而且这个文件描述是唯一的，不与任何其他运行中的进程共享，在失败时返回-1，并设置全局变量errno来指明失明的原因。




B、write系统调用




write函数的原型为：

size_twrite(int fildes, const void *buf, size_t nbytes);




write的作用是把缓冲区buf的前nbytes个字节写入到文件描述符fildes关联的文件中，返回实际写入的字节数。返回0表示没有写入任何数据，返回-1表示调用中出现了错误，错误代码保存在errno中。




注：fildes一定要是在open调用中返回的创建的文件描述符，或者是0、1、2等标准输入、输出或标准错误。




C、read系统调用




read函数的原型为：

size_tread(int fildes, void *buf, size_t nbytes);




read系统调用的作用是从与文件描述符相关的文件里读入nbytes个字节的数据，并把它们放到数据区buf中，返回读入的字节数，失败时返回-1。




D、close系统调用




close调用的函数原型为：

int close(int fildes);




close函数的作用是终于文件描述符fildes一其对应的文件之间的关联。







E、例子




说了这么多，我就给出一个完整的例子吧，就是从一个数据文件（里面有1M个‘0’字符）逐个复制到别一个文件。文件名为copy_system.c，代码如下：





#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
char c = '\0';
int in = -1, out = -1;
//以只读方式打开数据文件
in = open("Data.txt", O_RDONLY);
//以只写方式创建文件，如果文件不存在就创建一个新的文件
//文件属主具有读和写的权限
out = open("copy_system.out.txt", O_WRONLY|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR);
while(read(in, &c, 1) == 1)//读一个字节的数据
write(out, &c, 1);//写一个字节的数据
//关闭文件描述符
close(in);
close(out);
return 0;
}




三、标准I/O库

有过C编程经历的人都会知道stdio头文件，它就是C语言的标准IO库，在标准IO库中，与底层文件描述符相对应的是流，它被实现为指向结构FILE的指针。IO库的函数有很多，为了与前面的内容对应，这里还是只讲与前面四个函数相对应的函数，其他的函数，你可以查一查手册页。




A、fopen库函数




fopen库函数的原型为：

FILE* fopen(const char *filename, const char *mode);




它与底层系统调用open类似，成功时返回一个非空指针。失败时返回NULL。




B、fread库函数




fread库函数的原型为：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nitems, FILE *stream);




它与底层调用read相似，其作用是从stream读取nitems个长度为size的数据到ptr所指向的缓冲区中。返回值是成功读到缓冲区中的记录个数。




注：stream为用fopen函数返回的文件结构指针。




C、fwrite库函数




fwrite库函数的原型：

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nitems, FILE *stream);




它与底层调用write相似，其作用是从ptr指向的缓冲区中读取nitems个长度为size到数据，并把它们写到stream所对应的文件中。




D、fclose库函数




fclose库函数的原型为：

int fclose(FILE *stream);




它与系统调用close相似，其作用是关闭指定的文件流stream。




例子

同样地，下面是前一个例子的另一个实现版本，它实现的功能与先前的例子一样，不过使用的是标准I/O库，而不是系统调用，文件名为copy_stdio.c代码如下：



#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int c = 0;
FILE *pfin = NULL;
FILE *pfout = NULL;
//以只读方式打开数据文件
pfin = fopen("Data.txt", "r");
//以只写方式打开复制的新文件
pfout = fopen("copy_stdio.out.txt", "w");
while(fread(&c, sizeof(char), 1, pfin))//读数据
fwrite(&c, sizeof(char), 1, pfout);//写数据
//关闭文件流
fclose(pfin);
fclose(pfout);
return 0;
}








当然这里你也可以用其他的库函数来完成工作,如：用fgetc代替fread，用fputc代替fwrite等。




四、文件描述符和文件流的关系

每个文件流都对应一个底层文件描述符，你可以把底层输入输出操作与高层文件流操作混合使用，但是一般不要这样做，因为数据缓冲的后果难以预料。我们可以通过调用fileno函数（原型为：int fileno(FILE *stream))来确定文件流使用的底层文件描述符，它返回指向文件流的文件描述符。相反地，你可以通过调用函数fdopen（原型为FILE* fdopen(int fildes,
const char* mode))来在一个已经打开的文件描述符上创建一个新的文件流，mode参数与fopen函数的完全一样，同时它必须符合该文件在最初打开时所设定的访问模式。




但是在Linux下的编程，系统调用用得比较多一些，因为很多时候系统调用能提供更多的灵活性和更加强大的功能，有些操作是一定要使用系统调用，例如，创建文件读写锁时就一定要使用系统调用。




五、系统调用与标准I/O的性能比较

就拿本例子中的代码来比较，两个例子编译后生成的可执行文件的文件名分别为：copy_system.exe和copy_stdio.exe，在Linux下用time命令来测试其运行时间如下：














比较下可以看出，其性能改善了一个数量级，其效率甚至比用库函数一个一个字符复制来来得高效，至少在我的机子上是这样。