文件I/O

内核中存在一系列具备预定功能的函数，操作系统将这些函数功能抽象为一组被称为系统调用的接口，提供给应用程序使用，open()、read()、write()、lseek()、close()等都是系统调用中与I/O操作相关的接口。下面对系统调用级的I/O接口函数进行讲解。

1、 open()函数

open()函数的功能是打开或创建一个文件，该函数存在于系统函数库fcntl.h中，其函数声明如下：

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

open()函数的第一个参数通常为待打开文件的文件路径及名称；第二个参数为文件的访问模式，一般使用定义在函数库fcntl.h中的一组宏来表示，常用的宏及其含义如表1所示。

表1 文件访问模式相关宏定义

其中编号1~3的宏必须使用，且一次只能使用1个；编号4~8的宏可有选择地使用管道符号“|”与前3个宏搭配使用。只有第二个参数flags=O_CREAT时，第三个参数才会被使用，该参数的作用是设置创建文件的权限，取值如表2所示。

表2 参数mode相关取值

open()函数的返回值为一个整数，若函数调用成功，则会返回一个文件描述符，否则返回-1。

使用如下所示的open()函数可以创建一个文件：

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

也可以使用系统调用中专门用于创建文件的函数——creat()函数，creat()的函数声明如下：

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

该函数的第一个参数为路径名，第二个参数用于为文件设定权限，取值同表5-6。

creat()函数的返回值与open()函数相同，若文件创建成功，会返回一个文件描述符；否则返回-1。

2、 read()函数

read函数用于从已打开的设备或文件中读取数据，该函数存在于函数库unistd.h中，其函数声明如下：

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

read()函数基于文件描述符对文件进行操作，其中第一个参数为从open()函数或creat()函数获取的文件描述符；第二个参数为缓冲区；第三个参数为计划读取的字节数。调用read()函数后，该函数会从文件描述符fd对应的文件中读取count个字节的数据，存储到缓冲区buf中，并重新记录文件偏移量。

read()函数的返回值类型为ssize_t，表示有符号的size_t。read()函数的返回值可以是正数、0或者-1：若读取文件时出错，返回-1；若成功读取文件，则返回一个正数，该正数一般为本次请求读取的字节数，但在读取常规文件时，文件长度有限，若当前读写位置距文件末尾只有20个字节，但该函数请求读取30个字节，那么在第一次读取时，read()的返回值为20，第二次读取时，文件读写位置已在末尾，此时会返回0。

Linux系统中将一切都视为文件，因此read()函数也可以从设备或网络中读取数据。read()是一个阻塞函数，从常规文件中读取数据时，read()必定会在有限时间内返回，但从终端设备或网络端读取数据时，read()函数可能会阻塞。例如在程序中调用read()函数，该函数要求从终端读取数据，但终端写入的数据中没有回车，那么该数据就不会被传送给read()函数，read()函数就会一直阻塞；若要求read()函数从网络端读取数据，用于网络通信的socket文件中没有数据，read()函数同样会阻塞。

3、 write()函数

write()函数用于向已打开的设备或文件中写入数据，该函数存在于函数库unistd.h中，其函数声明如下：

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

write()函数的第一个参数为文件描述符；第二个参数为需要输出的缓冲区；第三个参数为最大输出字节数。当write()函数调用成功时返回写入的字节数；否则返回-1，并设置errno。

同read()函数一样，write()在写常规文件时，会立刻返回请求写入的字节数count，但向终端或网络端写数据时，可能会进入阻塞状态。

4、 lseek()函数

每个打开的文件都有一个当前文件偏移量（current file offset），该数值是一个非负整数，表示当前文件的读写位置，Linux系统中可以通过系统调用lseek()对该数值进行修改，lseek()函数位于函数库unistd.h中，其函数声明如下：

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

lseek()函数中第一个参数fd为文件描述符；第二个参数offset用于对文件偏移量的设置，该参数值可正可负；第三个参数whence用于控制设置当前文件偏移量的方法，该参数有3个取值：

(1) 若whence为SEEK_SET，文件偏移量将被设置为offset；

(2) 若whence为SEEK_CUR，文件偏移量的值将会在当前文件偏移量的基础上加上offset；

(3) 若whence为SEEK_END，文件偏移量的值将会被设置为文件长度加上offset。

lseek()函数的返回值类型与参数offset相同，若偏移量设置成功，则会返回新的偏移量，否则返回-1。

5、 close()函数

打开的文件在操作结束后应该主动关闭，Linux系统调用中用于关闭文件的函数为close()函数，该函数的使用方法很简单，只要在函数中传入文件描述符，便可关闭文件。close()函数位于函数库unistd.h中，其声明如下：

int close(int fd);

若函数close()成功调用，则返回0，否则返回-1。

Linux系统中文件相关的5个基础I/O函数已讲解完毕，下面通过一个案例，来演示这5个函数的使用方法。

案例2：使用open()函数打开或创建一个文件，将文件清空，再使用write()函数在文件中写入数据，并使用read()函数将数据读取并打印。

案例实现如下：

 1    #include <stdio.h>
 2    #include <stdlib.h>
 3    #include <unistd.h>
 4    #include <fcntl.h>
 5    #include <string.h>
 6    int main()
 7    {
 8        int fd=0;
 9        char filename[20]="./itheima/a.txt";
 10        //打开文件
 11        fd=open(filename,O_RDWR|O_EXCL|O_TRUNC,S_IRWXG);
 12        if(fd==-1){        //判断文件是否成功打开
 13            perror("file open error.\n");
 14            exit(-1);
 15        }
 16        //写数据
 17        int i=0,len=0;
 18        char buf[100]={0};
 19        while(i<3)
 20        {
 21            scanf("%s",buf);
 22            len=strlen(buf);
 23            write(fd,buf,len);
 24            i++;
 25        }
 26        close(fd);        //关闭文件
 27        printf("---------------------\n");
 28        //读取文件
 29        fd=open(filename,O_RDONLY);            //再次打开文件
 30        if(fd==-1){
 31            perror("file open error.\n");
 32            exit(-1);
 33        }
 34        off_t f_size=0;
 35        f_size=lseek(fd,0,SEEK_END);            //获取文件长度
 36        lseek(fd,0,SEEK_SET);                //设置文件读写位置
 37        while(lseek(fd,0,SEEK_CUR)!=f_size)    //读取文件
 38        {
 39            read(fd,buf,1024);
 40            printf("%s\n",buf);
 41        }
 42        close(fd);
 43        return 0;
 44    }

使用gcc工具编译以上代码，执行二进制文件，代码运行后根据题述输入数据，运行结果如下所示：

1:itheima
2:C/C++
3:Linux
---------------------
1:itheima2:C/C++3:Linux

由运行结果可知，read()成功读取指定文件中的数据。

Linux系统调用中的I/O又被称为无缓存I/O，除此之外，在程序编写时我们还可以使用一种有缓存的I/O。有缓存的I/O又被称为标准I/O，是符合ANSI C标准的I/O处理，标准I/O有两个优点，一是执行系统调用read()和write()的次数较少；二是不依赖系统内核，可移植性强。

系统调用中的I/O虽然被称为无缓存I/O，但并不是说它的整个操作过程没有使用缓存。在用户通过read()或write()向内核发送请求时，内核会先将要读写的数据写入系统内存的缓存区中，待系统的缓存区存满时，再对数据统一进行一次操作。系统内存区缓存的存在，减少了内存与磁盘之间的读写次数。

标准I/O在用户层建立了一个流缓存区，当用户进程调用标准I/O请求执行读写操作时，要读写的数据会先被写入流缓存区，当流缓存区写满或读写完毕时，内核再通过函数调用，将其中的数据写入内存缓存区中，如此便减少了内核调用read()和write()的次数。系统I/O与标准I/O与内存缓存区的关系如图1所示。

图1 系统I/O、标准I/O与内存缓存关系示意图

结合图1，若进行写操作，对于无缓存的系统I/O，数据走过的路径为：数据——内存缓存区——磁盘；对于标准I/O，数据走过的路径为：数据——流缓存区——内存缓存区——磁盘。标准I/O中常用的接口为：fopen()、fwrite()、fread()、fseek()、fclose()、fputs()、pgets()等，这些函数与系统I/O函数的使用方法大致相同，读者可参考相关资料自行学习，此处不再赘述。