Linux下的C编程实战（二）――文件系统编程

Linux 下的 C 编程实战（二）

――文件系统编程

宋宝华 [email][email protected][/email]

1.Linux 文件系统

       Linux 支持多种文件系统，如 ext 、 ext2 、 minix 、 iso9660 、 msdos 、 fat 、 vfat 、 nfs 等。在这些具体文件系统的上层， Linux 提供了虚拟文件系统（ VFS ）来统一它们的行为，虚拟文件系统为不同的文件系统与内核的通信提供了一致的接口。下图给出了 Linux 中文件系统的关系：

 

 

       在 Linux 平台下对文件编程可以使用两类函数：（ 1 ） Linux 操作系统文件 API ；（ 2 ） C 语言 I/O 库函数。     前者依赖于 Linux 系统调用，后者实际上与操作系统是独立的，因为在任何操作系统下，使用 C 语言 I/O 库函数操作文件的方法都是相同的。本章将对这两种方法进行实例讲解。

2.Linux 文件 API

Linux 的文件操作 API 涉及到创建、打开、读写和关闭文件。

创建

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

参数 mode 指定新建文件的存取权限，它同 umask 一起决定文件的最终权限（ mode&umask ），其中 umask 代表了文件在创建时需要去掉的一些存取权限。 umask 可通过系统调用 umask() 来改变：

int umask(int newmask);

该调用将 umask 设置为 newmask ，然后返回旧的 umask ，它只影响读、写和执行权限。

打开

int open(const char *pathname, int flags);

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

open 函数有两个形式，其中 pathname 是我们要打开的文件名 ( 包含路径名称，缺省是认为在当前路径下面 ) ， flags 可以去下面的一个值或者是几个值的组合：

标志	含义
O_RDONLY	以只读的方式打开文件
O_WRONLY	以只写的方式打开文件
O_RDWR	以读写的方式打开文件
O_APPEND	以追加的方式打开文件
O_CREAT	创建一个文件
O_EXEC	如果使用了 O_CREAT 而且文件已经存在，就会发生一个错误
O_NOBLOCK	以非阻塞的方式打开一个文件
O_TRUNC	如果文件已经存在，则删除文件的内容

O_RDONLY 、 O_WRONLY 、 O_RDWR 三个标志只能使用任意的一个。

如果使用了 O_CREATE 标志，则使用的函数是 int open(const char *pathname,int flags,mode_t mode); 这个时候我们还要指定 mode 标志，用来表示文件的访问权限。 mode 可以是以下情况的组合：

标志	含义
S_IRUSR	用户可以读
S_IWUSR	用户可以写
S_IXUSR	用户可以执行
S_IRWXU	用户可以读、写、执行
S_IRGRP	组可以读
S_IWGRP	组可以写
S_IXGRP	组可以执行
S_IRWXG	组可以读写执行
S_IROTH	其他人可以读
S_IWOTH	其他人可以写
S_IXOTH	其他人可以执行
S_IRWXO	其他人可以读、写、执行
S_ISUID	设置用户执行 ID
S_ISGID	设置组的执行 ID

除了可以通过上述宏进行“或”逻辑产生标志以外，我们也可以自己用数字来表示， Linux 总共用 5 个数字来表示文件的各种权限：第一位表示设置用户 ID ；第二位表示设置组 ID ；第三位表示用户自己的权限位；第四位表示组的权限；最后一位表示其他人的权限。每个数字可以取 1( 执行权限 ) 、 2( 写权限 ) 、 4( 读权限 ) 、 0( 无 ) 或者是这些值的和。例如，要创建一个用户可读、可写、可执行，但是组没有权限，其他人可以读、可以执行的文件，并设置用户 ID 位。那么，我们应该使用的模式是 1( 设置用户 ID) 、 0( 不设置组 ID) 、 7(1+2+4 ，读、写、执行 ) 、 0( 没有权限 ) 、 5(1+4 ，读、执行 ) 即 10705 ：

open("test", O_CREAT, 10705);

上述语句等价于：

open("test", O_CREAT, S_IRWXU | S_IROTH | S_IXOTH | S_ISUID );

如果文件打开成功， open 函数会返回一个文件描述符，以后对该文件的所有操作就可以通过对这个文件描述符进行操作来实现。

读写

在文件打开以后，我们才可对文件进行读写了， Linux 中提供文件读写的系统调用是 read 、 write 函数：

int read(int fd, const void *buf, size_t length);

int write(int fd, const void *buf, size_t length);

其中参数 buf 为指向缓冲区的指针， length 为缓冲区的大小（以字节为单位）。函数 read() 实现从文件描述符 fd 所指定的文件中读取 length 个字节到 buf 所指向的缓冲区中，返回值为实际读取的字节数。函数 write 实现将把 length 个字节从 buf 指向的缓冲区中写到文件描述符 fd 所指向的文件中，返回值为实际写入的字节数。

以 O_CREAT 为标志的 open 实际上实现了文件创建的功能，因此，下面的函数等同 creat() 函数：

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

定位

对于随机文件，我们可以随机的指定位置读写，使用如下函数进行定位：

int lseek(int fd, offset_t offset, int whence);

lseek() 将文件读写指针相对 whence 移动 offset 个字节。操作成功时，返回文件指针相对于文件头的位置。参数 whence 可使用下述值：

SEEK_SET ：相对文件开头

SEEK_CUR ：相对文件读写指针的当前位置

SEEK_END ：相对文件末尾

offset 可取负值，例如下述调用可将文件指针相对当前位置向前移动 5 个字节：

lseek(fd, -5, SEEK_CUR);

由于 lseek 函数的返回值为文件指针相对于文件头的位置，因此下列调用的返回值就是文件的长度：

lseek(fd, 0, SEEK_END);

关闭

当我们操作完成以后，我们要关闭文件了，只要调用 close 就可以了，其中 fd 是我们要关闭的文件描述符：

int close(int fd);

例程 ：编写一个程序，在当前目录下创建用户可读写文件“ hello.txt ”，在其中写入“ Hello, software weekly ”，关闭该文件。再次打开该文件，读取其中的内容并输出在屏幕上。

#include

#include

#include

#include

#define LENGTH 100

main()

{

  int fd, len;

  char str[LENGTH];

 

  fd = open("hello.txt", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR); /* 创建并打开文件 */

  if (fd) 

  {

  write(fd, "Hello, Software Weekly", strlen("Hello, software weekly")); /* 写入 Hello, software weekly 字符串 */

  close(fd);

  }

 

  fd = open("hello.txt", O_RDWR);

  len = read(fd, str, LENGTH); /* 读取文件内容 */

  str[len] = '\0';

  printf("%s\n", str);

  close(fd);

}

编译并运行，执行结果如下图：

3.C 语言库函数

C 库函数的文件操作实际上是独立于具体的操作系统平台的，不管是在 DOS 、 Windows 、 Linux 还是在 VxWorks 中都是这些函数：

创建和打开

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

fopen() 实现打开指定文件 filename ，其中的 mode 为打开模式， C 语言中支持的打开模式如下表：

标志	含义
r, rb	以只读方式打开
w, wb	以只写方式打开。如果文件不存在，则创建该文件，否则文件被截断
a, ab	以追加方式打开。如果文件不存在，则创建该文件
r+, r+b, rb+	以读写方式打开
w+, w+b, wh+	以读写方式打开。如果文件不存在时，创建新文件，否则文件被截断
a+, a+b, ab+	以读和追加方式打开。如果文件不存在，创建新文件

       其中 b 用于区分二进制文件和文本文件，这一点在 DOS 、 Windows 系统中是有区分的，但 Linux 不区分二进制文件和文本文件。

       读写

C 库函数支持以字符、字符串等为单位，支持按照某中格式进行文件的读写，这一组函数为：

int fgetc(FILE *stream);

int fputc(int c, FILE *stream);

char *fgets(char *s, int n, FILE *stream);

int fputs(const char *s, FILE *stream);

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

int fscanf (FILE *stream, const char *format, ...);

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

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

fread() 实现从流 stream 中读取加 n 个字段，每个字段为 size 字节，并将读取的字段放入 ptr 所指的字符数组中，返回实际已读取的字段数。在读取的字段数小于 num 时，可能是在函数调用时出现错误，也可能是读到文件的结尾。所以要通过调用 feof() 和 ferror() 来判断。

write() 实现从缓冲区 ptr 所指的数组中把 n 个字段写到流 stream 中，每个字段长为 size 个字节，返回实际写入的字段数。

另外， C 库函数还提供了读写过程中的定位能力，这些函数包括

int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);

int fsetpos(FILE *stream, const fpos_t *pos);

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

等。

关闭

利用 C 库函数关闭文件依然是很简单的操作：

int fclose (FILE *stream);

例程 ：将第 2 节中的例程用 C 库函数来实现。

#include

#define LENGTH 100

main()

{

  FILE *fd;

  char str[LENGTH];

 

  fd = fopen("hello.txt", "w+"); /* 创建并打开文件 */

  if (fd)

  {

    fputs("Hello, Software Weekly", fd); /* 写入 Hello, software weekly 字符串 */

    fclose(fd);

  }

 

  fd = fopen("hello.txt", "r");

  fgets(str, LENGTH, fd); /* 读取文件内容 */

  printf("%s\n", str);

  fclose(fd);

}

4. 小结

       Linux 提供的虚拟文件系统为多种文件系统提供了统一的接口， Linux 的文件编程有两种途径：基于 Linux 系统调用；基于 C 库函数。这两种编程所涉及到文件操作有新建、打开、读写和关闭，对随机文件还可以定位。本章对这两种编程方法都给出了具体的实例。