【Linux操作系统】举例解释Linux系统编程中文件io常用的函数

在Linux系统编程中，文件IO操作是非常常见和重要的操作之一。通过文件IO操作，我们可以打开、读取、写入和关闭文件，对文件进行定位、复制、删除和重命名等操作。本篇博客将介绍一些常用的文件IO操作函数。

1. open()

1.1 原型、参数及返回值说明

1.1.1 原型：

open()函数是Linux系统编程中常用的文件IO操作函数之一。它用于打开文件并返回一个文件描述符，以便后续的文件读写操作。
open()函数的原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

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

1.1.2 参数说明：

1. pathname：要打开的文件路径名。
2. flags：打开文件的模式标志，可以是以下几种模式的组合：
   • O_RDONLY：只读模式打开文件。
   • O_WRONLY：只写模式打开文件。
   • O_RDWR：读写模式打开文件。
   • O_CREAT：如果文件不存在，则创建文件。
   • O_EXCL：与O_CREAT一同使用，如果文件已存在，则返回错误。
   • O_TRUNC：如果文件存在且以可写模式打开，则将文件截断为0。
   • O_APPEND：在文件末尾追加数据。
3. mode： 创建文件时的访问权限，只有在使用O_CREAT时才有效。
   可以使用如下几个宏来设置权限：
   • S_IRUSR：用户读权限。
   • S_IWUSR：用户写权限。
   • S_IXUSR：用户执行权限。
   • S_IRGRP：组读权限。
   • S_IWGRP：组写权限。
   • S_IXGRP：组执行权限。
   • S_IROTH：其他用户读权限。
   • S_IWOTH：其他用户写权限。
   • S_IXOTH：其他用户执行权限。

1.1.3 返回值：

• 成功：返回一个非负整数的文件描述符，用于后续的文件IO操作。
• 失败：返回-1，并设置errno变量来指示错误类型。

1.2 函数示例

下面是一个使用open()函数的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

int main() {
    
    
    int fd;

    // 打开文件
    fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (fd == -1) {
    
    
        perror("open");
        return errno;
    }

    // 写入数据
    char buffer[] = "Hello, world!";
    ssize_t ret = write(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (ret == -1) {
    
    
        perror("write");
        close(fd);
        return errno;
    }

    // 关闭文件
    close(fd);

    return 0;
}

1.3 代码解释

在上述示例中，我们首先使用open()函数以只写模式打开一个文件example.txt。如果文件不存在，则创建该文件，并设置访问权限为用户可读可写。如果打开文件失败，我们使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

接下来，我们使用write()函数向文件中写入数据。在本例中，我们写入了字符串"Hello, world!"。如果写入数据失败，我们同样使用perror()函数打印错误信息，并在关闭文件前返回errno变量。

最后，我们使用close()函数关闭文件。

2. close()

2.1 原型、参数及返回值说明

2.1.1 原型：

close()函数是Linux系统编程中用于关闭文件的函数。它接受一个文件描述符作为参数，并返回一个整数值来指示操作是否成功。

close()函数的原型如下：

#include <unistd.h>

int close(int fd);

2.1.2 参数：

• fd：要关闭的文件描述符。

2.1.3 返回值：

• 成功：返回0。
• 失败：返回-1，并设置errno变量来指示错误类型。

2.2 函数示例

下面是一个使用close()函数的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    
    
    int fd;

    // 打开文件
    fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
    
    
        perror("open");
        return errno;
    }

    // 关闭文件
    int ret = close(fd);
    if (ret == -1) {
    
    
        perror("close");
        return errno;
    }

    return 0;
}

2.3 代码解释

在上述示例中，我们首先使用open()函数以只读模式打开一个文件example.txt，并将返回的文件描述符存储在变量fd中。如果打开文件失败，我们使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

接下来，我们使用close()函数关闭文件。如果关闭文件失败，我们同样使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

需要注意的是，关闭文件后，我们不应再对该文件描述符进行任何操作。

3. read()

3.1 原型、参数及返回值说明

3.1.1 原型：

read()函数是Linux系统编程中用于从文件中读取数据的函数。它接受一个文件描述符、一个缓冲区地址和一个读取的最大字节数作为参数，并返回实际读取的字节数。

read()函数的原型如下：

#include <unistd.h>

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

3.1.2 参数：

• fd：要读取的文件的文件描述符。
• buf：用于存储读取数据的缓冲区的地址。
• count：要读取的最大字节数。

3.1.3 返回值：

• 成功：返回实际读取的字节数。
• 失败：返回-1，并设置errno变量来指示错误类型。

3.2 函数示例

下面是一个使用read()函数的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    
    
    int fd;

    // 打开文件
    fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
    
    
        perror("open");
        return errno;
    }

    // 读取数据
    char buffer[100];
    ssize_t ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (ret == -1) {
    
    
        perror("read");
        close(fd);
        return errno;
    }

    // 输出读取的数据
    printf("Read %ld bytes: %s\n", ret, buffer);

    // 关闭文件
    close(fd);

    return 0;
}

3.3 代码解释

在上述示例中，我们首先使用open()函数以只读模式打开一个文件example.txt，并将返回的文件描述符存储在变量fd中。如果打开文件失败，我们使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

接下来，我们使用read()函数从文件中读取数据。我们定义一个长度为100的缓冲区buffer，并将其作为参数传递给read()函数。read()函数将尽量读取count个字节的数据，并将其存储在缓冲区中。如果读取数据失败，我们同样使用perror()函数打印错误信息，并在关闭文件前返回errno变量。

最后，我们使用printf()函数输出读取的数据，并使用close()函数关闭文件。

需要注意的是，read()函数是一个阻塞函数，如果文件中没有足够的数据可读，它将一直等待直到有足够的数据可读或者发生错误。如果需要非阻塞地读取数据，可以使用fcntl()函数设置文件描述符为非阻塞模式。

4. write()

4.1 原型、参数及返回值说明

4.1.1 原型：

write()函数是Linux系统编程中用于向文件中写入数据的函数。它接受一个文件描述符、一个数据缓冲区地址和要写入的字节数作为参数，并返回实际写入的字节数。

write()函数的原型如下：

#include <unistd.h>

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

4.1.2 参数：

• fd：要写入的文件的文件描述符。
• buf：要写入的数据的缓冲区的地址。
• count：要写入的字节数。

4.1.3 返回值：

• 成功：返回实际写入的字节数。
• 失败：返回-1，并设置errno变量来指示错误类型。

4.2 函数示例

下面是一个使用write()函数的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    
    
    int fd;

    // 打开文件
    fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (fd == -1) {
    
    
        perror("open");
        return errno;
    }

    // 写入数据
    char buffer[] = "Hello, World!";
    ssize_t ret = write(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (ret == -1) {
    
    
        perror("write");
        close(fd);
        return errno;
    }

    // 关闭文件
    close(fd);

    return 0;
}

4.3 代码解释

在上述示例中，我们首先使用open()函数以只写模式打开一个文件example.txt，并将返回的文件描述符存储在变量fd中。如果打开文件失败，我们使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

接下来，我们使用write()函数将数据写入文件中。我们定义一个字符串buffer，并将其作为参数传递给write()函数。write()函数将尽量写入count个字节的数据到文件中。如果写入数据失败，我们同样使用perror()函数打印错误信息，并在关闭文件前返回errno变量。

最后，我们使用close()函数关闭文件。

需要注意的是，write()函数是一个阻塞函数，如果文件无法立即接受写入的数据（例如，磁盘空间不足），它将一直等待直到可以写入数据或者发生错误。如果需要非阻塞地写入数据，可以使用fcntl()函数设置文件描述符为非阻塞模式。

5. lseek()

5.1 原型、参数及返回值说明

5.1.1 原型：

lseek()函数是Linux系统编程中用于在文件中定位读写位置的函数。它接受一个文件描述符、一个偏移量和一个起始位置作为参数，并返回新的读写位置。

lseek()函数的原型如下：

#include <unistd.h>

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

5.1.2 参数：

• fd：要定位的文件的文件描述符。
• offset：偏移量，可以是正数、负数或零。
• whence：起始位置，可以取以下三个值：
  • SEEK_SET：从文件开头开始计算偏移量。
  • SEEK_CUR：从当前读写位置开始计算偏移量。
  • SEEK_END：从文件末尾开始计算偏移量。

5.1.3 返回值：

• 成功：返回新的读写位置。
• 失败：返回-1，并设置errno变量来指示错误类型。

5.2 函数示例

下面是一个使用lseek()函数的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    
    
    int fd;

    // 打开文件
    fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
    
    
        perror("open");
        return errno;
    }

    // 定位读写位置
    off_t ret = lseek(fd, 5, SEEK_SET);
    if (ret == -1) {
    
    
        perror("lseek");
        close(fd);
        return errno;
    }

    // 读取数据
    char buffer[10];
    ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (n == -1) {
    
    
        perror("read");
        close(fd);
        return errno;
    }
    buffer[n] = '\0';
    printf("Data: %s\n", buffer);

    // 关闭文件
    close(fd);

    return 0;
}

5.3 代码解释

在上述示例中，我们首先使用open()函数以只读模式打开一个文件example.txt，并将返回的文件描述符存储在变量fd中。如果打开文件失败，我们使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

接下来，我们使用lseek()函数将读写位置定位到文件开头后的第5个字节。我们将文件描述符、偏移量和起始位置作为参数传递给lseek()函数。如果定位读写位置失败，我们同样使用perror()函数打印错误信息，并在关闭文件前返回errno变量。

然后，我们使用read()函数从文件中读取数据。我们定义一个缓冲区buffer，并将其作为参数传递给read()函数。read()函数将尽量读取count个字节的数据到缓冲区中。如果读取数据失败，我们同样使用perror()函数打印错误信息，并在关闭文件前返回errno变量。最后，我们在缓冲区末尾添加一个空字符，并使用printf()函数打印读取到的数据。

最后，我们使用close()函数关闭文件。

需要注意的是，lseek()函数可以用于定位读写位置，但并不会改变文件的大小。如果需要改变文件的大小，可以使用truncate()函数或ftruncate()函数。

6. stat()

6.1 原型、参数及返回值说明

6.1.1 原型:

stat()函数是Linux系统编程中用于获取文件信息的函数。它接受一个文件路径作为参数，并返回一个包含文件信息的结构体。

stat()函数的原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int stat(const char *pathname, struct stat *buf);

6.1.2 参数：

• pathname：要获取信息的文件路径。
• buf：用于存储文件信息的结构体指针。

6.1.3 返回值：

• 成功：返回0。
• 失败：返回-1，并设置errno变量来指示错误类型。

struct stat结构体包含了文件的各种信息，包括文件类型、权限、大小、创建时间、修改时间等。

下面是struct stat结构体的定义：

struct stat {
    
    
    dev_t     st_dev;         // 文件所在设备的ID
    ino_t     st_ino;         // 文件的inode号
    mode_t    st_mode;        // 文件的类型和权限
    nlink_t   st_nlink;       // 文件的硬链接数
    uid_t     st_uid;         // 文件的所有者ID
    gid_t     st_gid;         // 文件的所有者组ID
    dev_t     st_rdev;        // 如果文件是设备文件，则为设备的ID
    off_t     st_size;        // 文件的大小（字节）
    blksize_t st_blksize;     // 文件系统的块大小
    blkcnt_t  st_blocks;      // 分配给文件的块数
    time_t    st_atime;       // 文件的最后访问时间
    time_t    st_mtime;       // 文件的最后修改时间
    time_t    st_ctime;       // 文件的最后状态改变时间
};

6.2 函数示例

下面是一个使用stat()函数的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

int main() {
    
    
    const char *pathname = "example.txt";
    struct stat file_info;

    // 获取文件信息
    int ret = stat(pathname, &file_info);
    if (ret == -1) {
    
    
        perror("stat");
        return errno;
    }

    // 打印文件信息
    printf("File Size: %ld bytes\n", file_info.st_size);
    printf("File Permissions: %o\n", file_info.st_mode & 0777);
    printf("File Owner UID: %d\n", file_info.st_uid);
    printf("File Owner GID: %d\n", file_info.st_gid);

    return 0;
}

6.3 代码解释

在上述示例中，我们首先定义了一个文件路径pathname和一个struct stat结构体file_info，用于存储获取到的文件信息。

然后，我们使用stat()函数将文件信息存储到file_info结构体中。我们将文件路径和file_info结构体指针作为参数传递给stat()函数。如果获取文件信息失败，我们使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

最后，我们使用printf()函数打印获取到的文件信息，包括文件大小、文件权限、文件所有者的UID和GID等。

需要注意的是，stat()函数只能获取文件的信息，而不能修改文件的信息。如果需要修改文件的信息，可以使用chmod()函数来修改文件的权限。

7. fcntl()

7.1 原型、参数及返回值说明

7.1.1 原型：

fcntl()函数是Linux系统编程中用于对文件描述符进行控制操作的函数。它可以用于设置文件状态标志、获取文件状态标志、设置文件锁等。

fcntl()函数的原型如下：

#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

7.1.2 参数：

• fd：文件描述符，可以是打开文件的文件描述符，也可以是套接字的文件描述符。
• cmd：控制命令，用于指定要执行的操作。
• arg：可选参数，用于传递特定操作的参数。

7.1.3 返回值：

• 成功：根据不同的操作命令返回不同的值，一般为0或一个正整数。
• 失败：返回-1，并设置errno变量来指示错误类型。

下面是fcntl()函数的一些常用命令:

• F_DUPFD：复制文件描述符，创建一个新的文件描述符，该描述符与原始描述符指向相同的打开文件。
• F_GETFD：获取文件描述符的文件状态标志。
• F_SETFD：设置文件描述符的文件状态标志。
• F_GETFL：获取文件的打开方式和状态标志。
• F_SETFL：设置文件的打开方式和状态标志。
• F_GETLK：获取文件锁的信息。
• F_SETLK：设置文件锁。
• F_SETLKW：设置文件锁，如果无法获取锁，则阻塞等待。

7.2 函数示例

下面是一个使用fcntl()函数的示例：

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

int main() {
    
    
    int fd = open("example.txt", O_RDWR);
    if (fd == -1) {
    
    
        perror("open");
        return errno;
    }

    // 获取文件的打开方式和状态标志
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (flags == -1) {
    
    
        perror("fcntl");
        return errno;
    }

    // 设置文件的状态标志为非阻塞
    flags |= O_NONBLOCK;
    int ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
    if (ret == -1) {
    
    
        perror("fcntl");
        return errno;
    }

    // 关闭文件描述符
    close(fd);

    return 0;
}

7.3 代码解释

在上述示例中，我们首先使用open()函数打开一个文件，并将返回的文件描述符存储在变量fd中。如果打开文件失败，我们使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

然后，我们使用fcntl()函数获取文件的打开方式和状态标志。将文件描述符和F_GETFL命令作为参数传递给fcntl()函数，获取到的文件状态标志存储在变量flags中。如果获取文件状态标志失败，我们同样使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

接下来，我们将文件的状态标志设置为非阻塞，通过将O_NONBLOCK标志位与flags进行按位或操作。然后，我们使用fcntl()函数将修改后的状态标志设置回文件描述符。将文件描述符、F_SETFL命令和修改后的状态标志作为参数传递给fcntl()函数。如果设置文件状态标志失败，我们同样使用perror()函数打印错误信息，并返回errno变量。

最后，我们使用close()函数关闭文件描述符，释放资源。

需要注意的是，fcntl()函数的使用非常灵活，可以根据需要进行各种操作，如复制文件描述符、获取文件锁等。在使用fcntl()函数时，需要注意错误处理，并确保文件描述符的有效性。同时，需要在不再需要使用文件描述符时及时关闭文件描述符，以释放资源并避免资源泄漏。

总结

文件IO操作是Linux系统编程中的重要部分。通过open()、close()、read()、write()等函数，我们可以对文件进行打开、读取和写入操作。通过lseek()函数，我们可以在文件中进行定位。而通过stat()、fcntl()、dup()等函数，我们可以获取文件的状态信息，对文件描述符进行控制操作，复制文件描述符等。

除了上述的函数，还有许多其他的函数可以用于文件IO操作，如mkdir()用于创建目录，rmdir()用于删除目录，unlink()用于删除文件，rename()用于重命名文件等。