Linux C 应用编程学习笔记——（2）文件 I/O 基础

《【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux C应用编程指南》学习笔记

文件描述符

内核（kernel）利用文件描述符（file descriptor）来访问文件。文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。

——百度百科

当调用 oepn() 函数打开或创建一个文件时，内核会向进程返回一个文件描述符，用于代指被打开的文件，所有执行 I/O 操作的系统调用都是通过文件描述符来索引到对应的文件。

每一个被打开的文件在同一进程中都对应一个唯一的文件描述符，当文件被关闭后，它对应的文件描述符就会被释放。

每个线程的前三个文件描述符（0 ~ 2）是固定的，分别表示标准输入（0）、标准输出（1）和标准错误（2），所以我们创建或打开文件时分配的文件描述符最小为 3。

open() 打开文件

open() 的函数可以打开或创建一个文件，原型如下：

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

参数介绍

• pathname: 要操作的文件，可以填文件路径（绝对路径或相对路径都行），如果 pathname 是一个符号链接，会对其进行解引用。

• flags: 操作文件时的一些标志，open() 函数有很多种标志，下面介绍一些常用的：

标志	作用	说明
O_RDONLY	以只读方式打开文件	指定文件的访问权限，三种权限必须选一种
O_WRONLY	以只写方式打开文件	指定文件的访问权限，三种权限必须选一种
O_RDWR	以可读可写方式打开文件	指定文件的访问权限，三种权限必须选一种
O_CREAT	如果文件不存在，这创建文件	使用此标准时，需要传入第 3 个参数 mode，用于指定新文件的权限
O_EXCL	如果文件已存在，则返回错误，一般与 O_CREAT 一起使用	-
O_APPEND	以追加的方式打开文件	每次使用 write() 时，文件指针自动先移动到文件尾

除了上面这些，还有很多其他标志，如 O_ASYNC、OASYNC、O_DSYNC 等。

如果要同时使用多个标志，中间使用按位或运算符（‘|’) 连接。

• mode: 该参数用于指定新建文件的访问权限，只有当 flags 参数中包含 O_CREAT 或 O_TMPFILE（创建临时文件） 标志时才有效。

该参数支持的选项包括：

宏定义	说明
S_IRUSR	允许文件所有者读文件
S_IWUSR	允许文件所属者写文件
S_IXUSR	允许文件所属者执行文件
S_IRWXU	允许文件所属者读、写、执行文件
S_IRGRP	允许同组用户读文件
S_IWGRP	允许同组用户写文件
S_IXGRP	允许同组用户执行文件
S_IRWXG	允许同组用户读、写、执行文件
S_IROTH	允许其他用户读文件
S_IWOTH	允许其他用户写文件
S_IXOTH	允许其他用户执行文件
S_IRWXO	允许其他用户读、写、执行文件
S_ISUID	set-user-ID 设置 UID
S_ISGID	set-group-ID 设置 GID
S_ISVTX	sticky

如果要同时使用多个标志，中间使用按位或运算符（‘|’) 连接。

返回值
成功时返回文件描述符，文件描述符是一个非负整数，失败时返回 -1。

write() 写文件

write() 函数可以向已经打开的文件写入数据，函数原型如下：

#include 
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数介绍

• fd: 文件描述符
• buf: 要写入的数据
• count: 要写入的字节数

返回值

成功时返回写入的字节数，失败时返回 -1。如果返回的字节数小于参数 count，可能是因为一些意外错误，比如磁盘空间已满。数据写入后，文件指针也会跟着偏移（比如写入前文件指针偏移量为 0，写入 100 字节后，文件指针偏移量将会变成 100）。

read() 读文件

read() 函数的作用是从已经打开的文件中读取数据，其原型如下：

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

参数介绍

• fd: 文件描述符
• buf: 读出的数据缓存区
• count: 要读取的字节数

返回值

返回成功读取到的字节数，实际读取字节数可能会小于参数 count（比如文件指针指向的位置后的字节数小于 count），也有可能是 0（文件指针已经指向文件末尾）。和 write() 函数类似，每次使用 read() 读取数据，文件指针会移动到上一次 read() 结束时的位置，比如一次性读完文件的字节数，再次使用 read()，将会返回 0，因为文件指针已经指向文件末尾。

close() 关闭文件

close() 函数可以关闭一个已经打开的文件，原型如下：

#include 
int close(int fd);

参数介绍

• fd: 文件描述符

返回值

返回 0 表示关闭成功，返回 -1 表示关闭失败。

在很多代码中，程序一直在一个 while(1) 死循环中执行文件操作，而 close() 函数在循环之外，也就是说程序并不会执行 close()，但这种情况文件的数据并不会意外丢失。这是因为在 Linux 系统中，当一个进程结束时，内核会自动关闭它所有打开的文件。但即便如此，在不需要使用文件时调用 close() 是一个良好的编程习惯，因为它能增强程序的可读性和可靠性。

lseek() 文件指针偏移

每个打开的文件，系统都会记录下它们读写位置偏移量，可以把它成为读写偏移量，它记录了文件当前读写位置。每次调用 read() 或者 write() 函数时，就会从读写偏移量所在位置进行数据读写。文件头的偏移量为 0。

lseek() 函数可以调整读写偏移量，该函数原型如下：

#include 
#include 
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

参数介绍

• fd: 文件描述符
• offset: 偏移量，单位为字节，可正可负，正表示右移，负表示左移
• whence: 偏移量的参考值，参考值可以为以下宏定义的其中之一：
• SEEK_CUR：读写偏移量将指向当前位置偏移量 + offset 字节位置处；
• SEEK_SET：读写偏移量将指向 offset 字节位置处（从文件头开始算）；
• SEEK_END：读写偏移量将指向文件末尾 + offset 字节位置处

返回值

成功时返回从文件头部开始算起的位置偏移量（字节），错误时返回 -1。

一个简单的练习

实现的功能：新建一个文件 src_file.txt，向里面写入 1K Byte 数据，然后打开一个现有文件 dest_file.txt，获取该文件的大小，然后将 src_file.txt 的内容追加拷贝到 dest_file.txt 文件中，最后再获取一次 dest_file.txt 文件的大小。

我的测试代码（仅供参考）

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SRC_FILE "./src_file.txt"
#define DEST_FILE "./dest_file.txt"

char buff[1024];

int main()
{
	int i = 0;
	int src_fd, dest_fd;
	int cnt = 0, offset = 0;
	char tmp[256];

	/* 填充 buff */	
	for(i = 0; i < 1024; i++)
	{
		buff[i] = 'a' + i % 26;
	}

	/* 创建 src_file.txt */
	src_fd = open(SRC_FILE, O_RDWR|O_CREAT, S_IRWXU);

	if(src_fd < 0)
	{
		printf("%s open failed.\n", SRC_FILE);
		return -1;
	}
	
	/* 向 src_file.txt 写入数据 */
	cnt = write(src_fd, buff, sizeof(buff));

	printf("Successfully wrote %d bytes data to %s.\n", cnt, SRC_FILE);
	
	/* 打开 dest_file.txt */
	dest_fd = open(DEST_FILE, O_RDWR);

	if(dest_fd < 0)
	{
		printf("%s open failed.\n", DEST_FILE);
		return -1;
	}
	
	/* 获取 dest_file.txt 文件末尾的文件指针偏移量, 同时也将指针指向文件尾部 */
	offset = lseek(dest_fd, 0, SEEK_END);

	printf("The size of %s is %d bytes.\n", DEST_FILE, offset);

	/* 将 src_file.txt 的文件指针指向文件头 */
	lseek(src_fd, 0, SEEK_SET);

	/* 将 src_file.txt 的数据写入到 dest_file.txt 中 */
	while(1)
	{
		cnt = read(src_fd, tmp, sizeof(tmp));
		if(cnt > 0)
			write(dest_fd, tmp, sizeof(tmp));
		else
			break;
	}
	
	/* 获取 dest_file.txt 文件末尾的文件指针偏移量 */
	offset = lseek(dest_fd, 0, SEEK_END);

	printf("The size of %s is %d bytes.\n", DEST_FILE, offset);
	
	/* 关闭文件 */ 
	close(src_fd);
	close(dest_fd);
}

程序运行结果：