linux-文件IO

要看见树木，也要看见森林。

引言

文件IO，即与操作文件相关的输入输出函数。
POSIX标准定义了，linux文件IO函数指不带缓冲的IO函数，这些函数中的read和write将直接调用内核中的相应函数。
不带缓冲指数据直接由用户层到达内核层。

文件描述符

作用

程序要操作文件，必然需要在程序中用一种虚拟的方式来表示物理存在的文件。这种虚拟的方式就是文件描述符。
文件描述符可以理解为一个索引，通过这个索引能够获取一个文件的所有信息，例如偏移量，文件类型，访问权限等。

从应用层写一个字符到文件，这中间发生了什么？

打开一个文件，从上层到内核将涉及到3个结构体链表，分别是：文件描述符表、打开文件表和i-node表。它们之间的关系如下：
首先，文件是存储在文件系统中的，文件的属性、权限等信息，是文件系统在维护。一个文件拷贝到文件系统，文件系统将读取文件头部信息，并将文件的属性、权限等信息存储在i-node表中，然后写入磁盘设备中。
同时内核在运行时会维护一个打开文件表，当open文件时，内核将在打开文件表中创建一个结构体成员，存放文件信息，例如，当前文件偏移量、状态标识、文件放文件权限、文件属性等，而信息是从i-node表中读取到的。
open一个文件，将进入内核调用open相对应的系统函数，该系统函数在内核层为这个进程(调用open的进程)创建一个文件描述符表。文件描述符表包含有文件描述符和指向打开文件表的指针。
文件描述符：即在open时，内核给用户分配的一个非负整数。
打开文件表指针：指向内核的打开文件表中与该文件相关的结构体成员的地址。
可以理解文件描述符和打开文件表指针是绑定在一起的。应用层通过文件描述符和内核沟通，内核内部通过对应的打开文件表指针找到文件信息，并返回给应用层。
之后用户就可以通过该文件描述符，调用read/write，就找到打开文件表中与本文件相关的信息，例如文件内容等，然后内核调用相对应的系统调用函数，在read时，向上层返回查询到的信息，在write时，向文件系统磁盘上写入数据。

打开文件

open和openat
函数声明：
	#include 
	int open(const char *path, in oflag, .../* mode_t mode */)
	int openat(int fd, const char *path, in oflag, .../* mode_t mode */)
参数说明：
	path: 待打开或创建文件的名字(带路径)
	oflag: 
		下面这几个常量必须指定一个且只能指定一个：
		O_RDONLY: 只读打开
		O_WRONLY: 只写打开
		O_RDWR: 读写打开
		O_EXEC: 只执行打开，无法读写
	下面常量是可选的
		O_APPEND: 每次写文件追加到文件尾端
		O_CREAT: 若此文件不存在则创建它。若使用此选项，open函数需同时指定第3个参数，以指定访问权限位
		O_EXCL: 如果同时指定了O_CREAT，而文件已经存在，则出错。可用此参数判断一个文件是否存在，如果不存在，则创建。
		O_NONBLOCK: 设置后续对此此文件的io操作为阻塞方式。
		O_SYNC: 使每次write等待物理IO操作完成。
	mode：指定创建文件的访问权限，例0755 ，==》0：十进制；7:111，用户权限；5:101，读+可执行，组权限；5：其他用户权限
返回值：
	成功返回非负整型文件描述符，失败返回-1并设置errno。

例1：

	int ret = 0;
	//读写一个文件，如果文件不存在则创建
	ret = open("/path/file.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0755);
	if(ret < 0)
	{
	perror("open");
	exit(-1);
	}
	//判断一个文件是否存在
	ret = open("/path/file.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_EXCL, 0755);
	if(ret < 0)
	{
	printf("file exit!\n");
	}

关闭文件

当一个进程终止时，内核自动关闭它所有的打开文件。
函数声明：

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

定位文件

设置当前文件的偏移量。

函数声明：
 	#include 
	 off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence); 
参数说明：
	 fd: 文件描述符
	 offset: 字节为单位，例如7，指偏移量为7。具体如果偏移，需要看whence。
	 whence: 指定偏移的起点
 		SEEK_SET: 文件的开始处
 		SEEK_CUR: 当前文件的偏移值
 		SEEK_END: 文件的末尾处
返回值：
	success: 返回新的文件偏移量
	fail：-1，在errno中存放错误代码

例1.

 //据文件开始处偏移10个字节
 off_t offset;
 offset = lseek(fd, 10, SEEK_SET);

读文件

函数声明：
	#include 
	ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes)
返回值：
	success: 非负数。返回读取到的字节数，如果到达文件尾端，则返回0。
	fail：-1

例1:

 ssize_t nBytes;
 nBytes = read(fd, buf, sizeof(buf));
 if(nBytes < 0)
 perror("read");

写文件

函数声明：
	#include 
	ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
返回值：
	success: 返回写入的字节数，即nbytes
	fail: -1

获取或设置文件属性

设置/获取已经打开文件的属性。

函数声明：
 #include 
 int fcntl(int fd, int cmd, .../* int arg */);

例1、修改文件描述符标志位

 void setFl(int fd, int flags)
 {
  int val;
  if((val = fcntl(fd, F_GETFL, 0) < 0))
   printf("fcntl F_GETFL error\n");
  val |= flags;
  if(fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0)
   printf("fcntl F_SETFL error\n");
 }