C语言文件的相关操作
C语言中文件的相关操作
文件的打开
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使用文件的打开函数需要引入这个头文件：
#include -
open函数int open(char const *pathname, int flags, mode_t mode)- 功能：打开已有的文件或者创建新文件
- 参数
pathname：文件路径名，可以是相对路径或绝对路径flags：打开文件的标志，状态标志，多选使用|，常用的有以下几种O_RDONLY：只读O_WRONLY：只写O_RDWR：读写O_APPEND：追加O_CREAT：不存在即创建，已存在即打开O_EXCL：不存在即创建，已存在即报错O_TRUNC：不存在即报错，一般配合O_CREAT使用，已存在即清空O_RDONLY，O_WRONLY，O_RDWR三者只能选择一个
mode：权限模式，格式例如0777、0755
- 返回值：反回非负整数作为文件描述符。如果返回
-1，表示打开文件失败
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使用示例
#include// 使用perror #include // 使用open int main(void) { // 打开文件，不存在就创建 int fd = open("./test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0755); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 操作文件 // 关闭文件 return 0; }
文件的关闭
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使用文件的关闭函数需要引入这个头文件：
#include -
close函数int close(int fd);- 功能：关闭处于打开状态的文件描述符
- 参数：
fd表示的是处于打开状态的文件描述符 - 返回值：成功返回0，失败返回-1
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使用示例
#include// 使用perror #include // 使用open #include // 使用close int main(void) { // 打开文件，不存在就创建 int fd = open("./test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0755); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 操作文件 // 关闭文件 int ret = close(fd); if(ret == -1) { perror("close"); return -1; } return 0; }
文件打开和关闭在内核中的结构
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多次打开同一个文件，无论是在同一个进程中还是在不同的进程中，都会在系统内核中产生一个v节点
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每次打开文件都会产生一个新的文件表项，各自维护各自的文件状态标志和当前文件偏移
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多个进程打开同一个文件，其实是产生了多个文件表项，而v节点其实只有一个
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以下是使用一个进程打开一个文件的示例图
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下面是使用多个进程打开一个文件的示例图
文件描述符
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为了便于管理在系统中运行的各个进程，内核会维护一张存有各进程信息的列表，称为进程表。系统中的每个进程在进程表中都占有一个表项。每个进程表项都包含了针对特定进程的描述信息，如
PID、UID、GID，其中也包含了一个称为文件描述符表的数据结构。 -
文件描述符的每个表项都至少包含两个数据项–文件描述符表中和文件表项指针，所谓文件描述符，其实就是文件描述符表项在文件描述符表中从0开始的下标，
open函数的返回值就是文件描述符表项在文件描述符表中的下标 -
文件描述符表中，前三个都是默认的，在
unistd.h头文件中被定义#define STDIN_FILENO 0标准输入#define STDOUT_FILENO 1标准输出#define STDERR_FILENO 2标准错误
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以下是示例图
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下面是根据文件描述表的前三个默认被定义的特性写的一个示例
#include#include #include int main(void) { // 如果这里直接使用open，那返回的文件描述符表项一般都是3 // 所以我这里做了一些操作，让open返回的文件描述符表项为0 close(1); // 关闭1，标准输出 int fd = open("./stdout.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0755); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } printf("fd = %d\n", fd); // 这里如果关闭了fd，会出现写不进去 // if(close(fd) == -1) // { // perror("close"); // return -1; // } return 0; } -
上面一个例子在写的时候发现了一些问题，目前还不知道是啥原因，不能关闭文件，关闭了就会发现写不进去，下面是我用
dup2函数写的#include#include #include int main(void) { int fd = open("./stdout.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0755); if (fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 使用dup2函数将新的文件描述符复制到文件描述符1 if (dup2(fd, STDOUT_FILENO) == -1) { perror("dup2"); return -1; } printf("输出重定向到文件\n"); printf("此时fd=%d\n", fd); if (close(fd) == -1) { perror("close"); return -1; } return 0; }
文件的写入
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使用文件的写入函数需要引入这个头文件：
#include -
write函数ssize_t wirte(int fd, void const *buf, size_t count);- 功能：向指定的文件写入数据
- 参数
fd：文件描述符，即open函数的返回值buf：内存缓冲区，即要写入的数据count：期望写入的字节数
- 返回值：成功返回实际写入的字节数，失败返回-1
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示例
#include// perror #include // open #include // close wirte #include // strlen int main(void) { // 1. 打开文件 int fd = open("./test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0755); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 2. 写入数据 char *buf = "哈哈"; ssize_t size = write(fd, buf, strlen(buf)); if(size == -1) { perror("write"); return -1; } printf("实际写入了%ld个字节\n", size); // 3. 关闭文件 if(close(fd) == -1) { perror("close"); return -1; } return 0; }
文件的读取
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使用文件的读取函数需要引入这个头文件：
#include -
read函数ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);- 功能：从指定的文件中读取数据
- 参数：
fd：文件描述符buf：内存缓冲区，存读取到的数据count：期望读取的字节数
- 返回值：成功返回实际读取的字节数，失败返回-1
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示例
#include// perror #include // open #include // close read int main(void) { // 1. 打开文件，这里使用的是 int open(const char *pathname, int flags);，直接读取的 int fd = open("./test.txt", O_RDONLY); // 2. 读取数据 char buf[16] = {}; ssize_t size = read(fd, buf, sizeof(buf)); if(size == -1) { perror("read"); return -1; } printf("读取的字节数是%ld,读取到内容是 %s\n", size, buf); // 3. 关闭文件 if(close(fd) == -1) { perror("close"); return-1; } return 0; }
补充部分
在 Unix-like 操作系统中，man 命令后面的数字参数用于指定手册页面的节（section）。不同的节对应于不同类型的手册页面，每个节有其特定的内容和用途。以下是常见的 man 命令数字参数及其对应的节：
man 1：用户命令（User Commands）。该节包含系统中可用的一般用户命令和可执行程序的手册页面。例如，man 1 ls将显示与列表命令ls相关的手册页面。man 2：系统调用（System Calls）。该节包含操作系统提供的内核级别函数和系统调用接口的手册页面。这些函数和接口用于访问低级别的操作系统功能。例如，man 2 open将显示与文件系统调用open相关的手册页面。man 3：C 库函数（Library Functions）。该节包含标准 C 库函数和其他库函数的手册页面。它提供了函数的接口、参数和返回值等详细信息。例如，man 3 printf将显示与打印函数printf相关的手册页面。- 其他节：除了上述常见的节之外，还存在其他节，用于特定目的或特定类型的手册页面。例如，
man 5用于文件格式和配置文件的手册页面，man 7用于杂项的手册页面。
因此，根据所选择的数字参数，man 命令可以用来查看不同类型的手册页面，从用户命令、系统调用到库函数等。可以根据需要选择适当的数字参数来浏览相关的手册页面，以获取相关命令、函数或系统的详细信息和用法说明。
文件读写的位置
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使用
lseek函数可以改变文件读写位置，使用它需要引用unistd.h头文件 -
lseek函数off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);- 功能： 调整文件读写位置
- 参数
fd：文件描述符offset：文件读写位置偏移字节数whence：offset参数的偏移起点SEEK_SET：文件头SEEK_CUR：当前位置（最后被读写字节下一个字节）SEEK_END：文件尾
- 返回值：成功返回文件读写位置，失败返回0
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示意图
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示例代码
#include#include #include #include int main(void) { // 打开文件 int fd = open("./test.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 写入数据 char *w_data = "aaaaaaa"; if(write(fd, w_data, strlen(w_data)) == -1) { perror("write"); return -1; } // 跳转文件读写位置到开头 if(lseek(fd, 0, SEEK_SET) == -1) { perror("lseek"); return -1; } // 写入数据，这里会将之前的数据覆盖，并不会将原来的数据自动往后移 char *w_data2 = "abcdefghij"; if(write(fd, w_data2, strlen(w_data2)) == -1) { perror("write"); return -1; } // 调整文件读写位置 3 SEEK_SET if(lseek(fd, 3, SEEK_SET) == -1) { perror("lseek"); return -1; } // 读取文件数据 char r_data1[100] = {}; if(read(fd, r_data1, sizeof(r_data1)) == -1) { perror("read1"); return -1; } printf("第一次读取数据: %s\n", r_data1); // 调整文件读写位置 -5 SEEK_CUR，如果这里填 4 SEEK_CUR，因为上一个读取操作已经将指针移到最后了 if(lseek(fd, -5, SEEK_CUR) == -1) { perror("lseek"); return -1; } // 读取文件数据 char r_data2[100] = {}; if(read(fd, r_data2, sizeof(r_data2)) == -1) { perror("read1"); return -1; } printf("第二次读取数据: %s\n", r_data2); // 调整文件读写位置 -2 SEEK_END if(lseek(fd, -2, SEEK_END) == -1) { perror("lseek"); return -1; } // 读取数据 char r_data3[100] = {}; if(read(fd, r_data3, sizeof(r_data3)) == -1) { perror("read"); return -1; } printf("第三次读取数据: %s\n", r_data3); // 关闭文件 if(close(fd) == -1) { perror("close"); return -1; } return 0; }
文件描述符的复制
dup函数
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dup函数可以复制文件描述项，可以将指定的文件描述项复制到最小的空闲项中，使用这个函数需要引入unistd.h头文件 -
dup函数int dup(int oldfd);- 功能：复制文件描述符表的特定条目到最小可用项
- 参数
oldfd：源文件描述符
- 返回值：成功返回模板文件描述符，失败返回-1
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示例图
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示例代码
#include#include #include #include int main(void) { // 打开文件 int fd = open("./test.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 写入数据 char *w_data = "abcdefg"; if(write(fd, w_data, strlen(w_data)) == -1) { perror("write"); return -1; } // 使用dup赋值 int newfd = dup(fd); if(newfd == -1) { perror("dup"); return -1; } // 移动fd的文件读写位置到d if(lseek(fd, 3, SEEK_SET) == -1) { perror("lseek"); return -1; } // 读取newfd的数据，看是否随着fd的读写位置而改变 char r_data[100] = {}; if(read(fd, r_data, sizeof(r_data)) == -1) { perror("read"); return -1; } printf("读取newfd的数据: %s\n", r_data); // defg // 关闭文件 if(close(newfd) == -1) { perror("newfd close"); return -1; } if(close(fd) == -1) { perror("fd close"); return -1; } return 0; }
dup2函数
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dup2函数可以复制文件描述项，可以将指定的文件描述项复制到指定的空闲项中，使用这个函数需要引入unistd.h头文件 -
dup2函数int dup2(int oldfd, int newfd);- 功能：复制文件描述符表中特定条目到指定项
- 参数
oldfd：源文件描述符newfd：目标文件描述符
- 返回值：成功返回目标文件描述符
newfd，失败返回-1 - 使用前一定要确保
newfd是空闲的
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示例代码
#include#include #include #include int main(void) { // 打开文件 int fd = open("./test.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 复制文件描述项 int newfd = dup2(fd, STDOUT_FILENO); if(newfd == -1) { perror("dup2"); return -1; } // 测试是否复制成功 printf("test,hahah"); // 关闭文件（复制的不需要手动关闭,手动关闭会发现上一步printf写不进去） if(close(fd) == -1) { perror("close"); return -1; } return 0; }
访问测试
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想要查看操作文件的权限，可以使用
access函数，使用这个函数需要引入unistd.h头文件 -
access函数int access(char const *pathname, int mode);- 功能：判断当前进程是否可以对某个给定的文件执行某种访问。
- 参数：
pathname：文件路径mode：被测试的权限R_OK：是否可读W_OK：是否可写X_OK：是否可执行F_OK：是否存在
- 返回值：成功返回0，失败返回-1
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示例代码
#include#include int main(int argc, char *argv[]) { // 判断是否输入文件名 if(argc < 2) { fprintf(stderr, "用法: %s \n" , argv[0]); return -1; } // 判断文件是否存在 if(access(argv[1], F_OK) == -1) { printf("%s is no such file!\n", argv[1]); return -1; } printf("%s: ", argv[1]); // 判断文件是否可读 if(access(argv[1], R_OK) == 0) printf("read "); // 判断文件是否可写 if(access(argv[1], W_OK) == 0) printf("write "); // 判断文件是否可执行 if(access(argv[1], X_OK) == 0) printf("execute"); printf("\n"); return 0; }
修改文件大小
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以下两个函数是用于修改文件大小的函数，一般在下载的时候都会用到这类函数，使用这两个函数需要引入
unistd.h头文件 -
truncate函数-
int truncate(char const *path, off_t length);- 功能：修改指定文件的大小
- 参数
path：文件路径length：文件大小
- 返回值：成功返回0，失败返回-1
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示例代码（这里展示的是截断的效果，会从尾部往前开始截短）
#include#include #include #include int main(void) { // 打开文件 int fd = open("./test.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 写入数据 char *data = "hello bhlu"; // 10字节 if(write(fd, data, strlen(data)) == -1) { perror("write"); return -1; } // 将读写位置移到最后，看返回的位置 int pos1 = lseek(fd, 0, SEEK_END); if(pos1 == -1) { perror("lseek"); return -1; } printf("初始状态: 文件字节长度: %d\n", pos1); // 截短文件为4字节 if(truncate("./test.txt", 4) == -1) { perror("truncate"); return -1; } printf("截短成功\n"); // 将读写位置移到最后，看返回的位置 int pos2 = lseek(fd, 0, SEEK_END); if(pos2 == -1) { perror("lseek"); return -1; } printf("截短后: 文件字节长度: %d\n", pos2); // 关闭文件 if(close(fd) == -1) { perror("close"); return -1; } return 0; } /* 初始状态: 文件字节长度: 10 截短成功 截短后: 文件字节长度: 4 此时文件: hell */
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ftruncate函数-
int ftruncate(int fd, off_t length);- 功能：修改指定文件的大小
- 参数
fd：文件描述符length：文件大小
- 返回值：成功返回0，失败返回-1
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示例代码（这里展示的加长的效果，加长之后会在尾部空字符填充）
#include#include #include #include int main(void) { // 打开文件 int fd = open("./test.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 写入数据 char *data = "hello"; // 5字节 if(write(fd, data, strlen(data)) == -1) { perror("write"); return -1; } // 将读写位置移到最后，看返回的位置 int pos1 = lseek(fd, 0, SEEK_END); if(pos1 == -1) { perror("lseek"); return -1; } printf("初始状态: 文件字节长度: %d\n", pos1); // 加长文件为10个字节 if(ftruncate(fd, 10) == -1) { perror("truncate"); return -1; } printf("加长成功\n"); // 将读写位置移到最后，看返回的位置 int pos2 = lseek(fd, 0, SEEK_END); if(pos2 == -1) { perror("lseek"); return -1; } printf("加长后: 文件字节长度: %d\n", pos2); // 关闭文件 if(close(fd) == -1) { perror("close"); return -1; } return 0; } /* 初始状态: 文件字节长度: 5 加长成功 加长后: 文件字节长度: 10 此时文件: hello^@^@^@^@^@ ^@就是ASCII码中的空字符 */
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文件锁
当一个文件同时被多个进程进行写操作的时候，就会出现造成数据错乱，以下是一个每秒往文件里写一个字符的示例代码。
#include \n" , argv[0]);
return -1;
}
// 打开文件
int fd = open("./test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644);
if(fd == -1)
{
perror("open");
return -1;
}
// 写入数据，一秒写一个
for(int i = 0; i < strlen(argv[1]); i++)
{
if(write(fd, &argv[1][i], sizeof(argv[1][i])) == -1)
{
perror("write");
return -1;
}
sleep(1);
}
// 关闭文件
if(close(fd) == -1)
{
perror("close");
return -1;
}
return 0;
}
下面使用使用两个进程同时执行这个代码./write haha & ./write bhlu &
可以看到写入的数据是错乱的，所以才需要使用文件锁，来保证写入数据的正确性。
使用文件锁需要用到fcntl函数，使用这个函数需要引入fcntl.h头文件
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fcntl函数-
int fcntl(int fd, F_SETLK/F_SETLKW, struct flock *lock);-
功能：加解锁
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参数
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F_SETLK非阻塞模式加锁，F_SETLKW阻塞模式加锁 -
lock对文件要加的锁-
struct flock { short l_type; // 锁类型：F_RDLCK/F_WRLCK/F_UNLCK short l_whence; // 锁区偏移起点: SEEK_SET/SEEK_CUR/SEEK_END off_t l_start; // 锁区偏移字节数 off_t l_len; // 锁区字节数 pid_t l_pid; // 加锁进程的PID，-1表示自动设置 }
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返回值：成功返回0.失败返回-1
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示例代码
#include#include #include #include int main(int argc, char *argv[]) { if(argc < 2) { fprintf(stderr, "用法: %s \n" , argv[0]); return -1; } // 打开文件 int fd = open("./test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644); if(fd == -1) { perror("open"); return -1; } // 创建锁 struct flock lock; lock.l_type = F_WRLCK; // 写锁 lock.l_whence = SEEK_SET; // 头部开始 lock.l_start = 0; lock.l_len = 0; // 锁到文件尾 lock.l_pid = -1; // 阻塞加锁 if(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == -1) { perror("fcntl"); return -1; } // 写入数据 for(int i = 0; i < strlen(argv[1]); i++) { if(write(fd, &argv[1][i], sizeof(argv[1][i])) == -1) { perror("write"); return -1; } sleep(1); } // 解锁 struct flock unlock; unlock.l_type = F_UNLCK; // 解锁 unlock.l_whence = SEEK_SET; unlock.l_start = 0; unlock.l_len = 0; unlock.l_pid = -1; if(fcntl(fd, F_SETLKW, &unlock) == -1) { perror("fcntl"); return -1; } // 关闭文件 if(close(fd) == -1) { perror("close"); return -1; } return 0; } -
使用阻塞加锁的展示图
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非阻塞加锁部分代码
// 非阻塞加锁 while(fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) { if(errno == EACCES || errno == EAGAIN) { printf("文件被锁定，稍等一下！\n"); sleep(1); }else { perror("fcntl"); return -1; } } // 非阻塞解锁 if(fcntl(fd, F_SETLK, &unlock) == -1) { perror("fcntl"); return -1; } -
非阻塞加锁效果
文件锁的内核结构
- 每次对给定文件的特定区域加锁，都会通过
fcntl函数向系统内核传递flock结构体，该结构体中包含了锁的一些信息，具体可以参考上面的函数介绍。 - 系统内核收集到所有进程所加的各种锁，就会将
flock结构体中的信息以链表的形式形成一张锁表，锁表的起始地址就保存在该文件的v节点中 - 任何一个进程通过
fcntl函数对文件加锁，系统内核都要遍历这张表，当出现已经存在冲突锁的情况下，会出现阻塞或报错。 - 解锁其实就是调整或删除锁表中的相应节点
文件的元数据
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可以通过以下三个函数获取文件的元数据，使用这三个函数都必须引用
sys/stat.h头文件 -
int stat(char const *path, struct stat *buf); -
int fstat(int fd, struct stat *buf); -
int lstat(char const *path, struct stat *buf);-
lstat函数与另外两个函数的区别在于它不跟踪符号链接，假设有一个文件a，现在有一个b软连接指向a，它返回的是b的信息，前面两个都会返回a的信息。 -
功能：三个函数功能都差不多，从i节点中提取文件的元数据，即文件的属性信息
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参数
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path：文件路径 -
buf：文件元数据结构struct stat { dev_t st_dev; // 设备ID ino_t st_ino; // i节点号 mode_t st_mode; // 文件的类型和权限 nlink_t st_nlink; // 硬链接数 uid_t st_uid; // 拥有者用户id gid_t st_git; // 拥有者组id dev_t st_rdev; // 特殊设备ID off_t st_size; // 总字节数 blksize_t st_blksize; // I/O块字节数 blkcnt_t st_blocks; // 存储块数 time_t st_atime; // 最后访问时间 time_t st_mtime; // 最后修改时间 time_t st_ctime; // 最后状态改变时间 } /* 其中mode_t类型，其原始类型在32位系统中被定义unsigned int，但目前只有低16位有意义，即B0-B15 B15 - B12：文件类型 B11 - B9：设置用户ID，设置组ID，粘滞 B8 - B6：属主权限 B5 - B3：数组权限 B2 - B0：其他用户权限 */
-
fd：文件描述符
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-
返回值：成功返回0，失败返回-1
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示例代码
// 输出文件的元数据 #include#include #include #include // 转类型和权限 char *f_mode(mode_t m) { static char s[11]; if (S_ISDIR(m)) { strcpy(s, "d"); // 目录 } else if(S_ISSOCK(m)) { strcpy(s, "s"); // 本地套接字 } else if(S_ISCHR(m)) { strcpy(s, "c"); // 字符设备 } else if(S_ISBLK(m)) { strcpy(s, "b"); // 块设备 } else if(S_ISLNK(m)) { strcpy(s, "l"); // 符号链接 } else if(S_ISFIFO(m)) { strcpy(s, "p"); // 有名管道 } else { strcpy(s, "-"); } // 属主 属组 其他用户 权限 strcat(s, m & S_IRUSR ? "r" : "-"); strcat(s, m & S_IWUSR ? "w" : "-"); strcat(s, m & S_IXUSR ? "x" : "-"); strcat(s, m & S_IRGRP ? "r" : "-"); strcat(s, m & S_IWGRP ? "w" : "-"); strcat(s, m & S_IXGRP ? "x" : "-"); strcat(s, m & S_IROTH ? "r" : "-"); strcat(s, m & S_IWOTH ? "w" : "-"); strcat(s, m & S_IXOTH ? "x" : "-"); return s; } // 转换时间 char *f_time(time_t t) { static char time[20]; struct tm *l = localtime(&t); sprintf(time, "%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d", l->tm_year + 1900, l->tm_mon + 1, l->tm_mday, l->tm_hour, l->tm_min, l->tm_sec); return time; } int main(int argc, char *argv[]) { if(argc < 2) { fprintf(stderr, "用法: %s <文件名>\n", argv[0]); return -1; } // 获取文件的元数据 struct stat s; if(stat(argv[1], &s) == -1) { perror("stat"); return -1; } printf("设备ID: %lu\n", s.st_dev); printf("i节点号: %ld\n", s.st_ino); printf("硬链接数: %lu\n", s.st_nlink); printf("用户ID: %u\n", s.st_uid); printf("组ID: %u\n", s.st_gid); printf("特殊设备ID: %lu\n", s.st_rdev); printf("总字节数: %ld\n", s.st_size); printf("IO块字节数: %ld\n", s.st_size); printf("存储块数: %ld\n", s.st_blksize); printf("文件类型和权限: %s\n", f_mode(s.st_mode)); printf("最后访问时间: %s\n", f_time(s.st_atime)); printf("最后修改时间: %s\n", f_time(s.st_mtime)); printf("最后状态修改时间: %s\n", f_time(s.st_ctime)); return 0; }
内存映射文件
之前已经介绍过内存映射的建立与解除，以下是使用内存映射文件的例子
// 通过映射打开文件并写入数据
#include