Android C++系列：Linux文件IO操作(一)

「这是我参与11月更文挑战的第17天，活动详情查看：2021最后一次更文挑战」。

1.1 C标准函数与系统函数的区别

![image-20211117200854436](/Users/shenjunwei/Documents/Doc/vegetable/source/_note/编程语言/写给Android程序员的C++课程/_v_images/Android C++系列：Linux文件IO操作/image-20211117200854436.png)

1.1.1 I/O缓冲区

每一个FILE文件流都有一个缓冲区buffer，默认大小8192Byte。

1.1.2 效率

1.1.3 程序的跨平台性

事实上Unbuffered I/O这个名词是有些误导的，虽然write系统调用位于C标准库I/O缓冲区的底层，但在write的底层也可以分配一个内核I/O缓冲区，所以write也不一定是直接写到文件的，也可能写到内核I/O缓冲区中，至于究竟写到了文件中还是内核缓冲区中对于进程来说是没有差别的，如果进程A和进程B打开同一文件，进程A写到内核I/O缓冲区中的数据从进程B也能读到，而C标准库的I/O缓冲区则不具有这一特性(想一想为什么)。

1.2 PCB概念

1.2.1 task_struct结构体

    /usr/src/linux-headers/include/linux/sched.h
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1.2.2 files_struct结构体

1.3 open/close

![image-20211117201012910](/Users/shenjunwei/Documents/Doc/vegetable/source/_note/编程语言/写给Android程序员的C++课程/_v_images/Android C++系列：Linux文件IO操作/image-20211117201012910.png)

1.3.1 文件描述符

一个进程默认打开3个文件描述符

STDIN_FILENO 0 STDOUT_FILENO 1 STDERR_FILENO 2
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新打开文件返回文件描述符表中未使用的最小文件描述符。 open函数可以打开或创建一个文件。

#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); 返回值:成功返回新分配的文件描述符，出错返回-1并设置errno
复制代码

在Man Page中open函数有两种形式，一种带两个参数，一种带三个参数，其实在C代码中open函数是这样声明的:

 int open(const char *pathname, int flags, ...);
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最后的可变参数可以是0个或1个，由flags参数中的标志位决定，见下面的详细说明。

pathname参数是要打开或创建的文件名，和fopen一样，pathname既可以是相对路径也可以是绝对路径。flags参数有一系列常数值可供选择，可以同时选择多个常数用按位或运算符连接起来，所以这些常数的宏定义都以O_开头，表示or。

  必选项:以下三个常数中必须指定一个，且仅允许指定一个。
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* O_RDONLY 只读打开 * O_WRONLY 只写打开 * O_RDWR 可读可写打开

以下可选项可以同时指定0个或多个，和必选项按位或起来作为flags参数。可选项有很多，这里只介绍一部分，其它选项可参考open(2)的Man Page:

* O_APPEND 表示追加。如果文件已有内容，这次打开文件所写的数据附加到文件的末尾而不覆盖原来的内容。
* O_CREAT 若此文件不存在则创建它。使用此选项时需要提供第三个参数mode，表示该文件的访问权限。
* O_EXCL 如果同时指定了O_CREAT，并且文件已存在，则出错返回。
* O_TRUNC 如果文件已存在，并且以只写或可读可写方式打开，则将其长度截断(Trun-

cate)为0字节。
* O_NONBLOCK 对于设备文件，以O_NONBLOCK方式打开可以做非阻塞I/O(Nonblock I/

O)，非阻塞I/O在下一节详细讲解。

注意open函数与C标准I/O库的fopen函数有些细微的区别: 以可写的方式fopen一个文件时，如果文件不存在会自动创建，而open一个文件时必须

明确指定O_CREAT才会创建文件，否则文件不存在就出错返回。以w或w+方式fopen一个文件时，如果文件已存在就截断为0字节，而open一个文件时必

须明确指定O_TRUNC才会截断文件，否则直接在原来的数据上改写。第三个参数mode指定文件权限，可以用八进制数表示，比如0644表示-rw-r-r–，也可

以用S_IRUSR、S_IWUSR等宏定义按位或起来表示，详见open(2)的Man Page。要注意的是，文件权限由open的mode参数和当前进程的umask掩码共同决定。

补充说明一下Shell的umask命令。Shell进程的umask掩码可以用umask命令查看:
```
$ umask 
0002
复制代码
```
用touch命令创建一个文件时，创建权限是0666，而touch进程继承了Shell进程的umask 掩码，所以最终的文件权限是0666&∼022=0644。
```
$ touch file123
$ ls -l file123
-rw-rw-r-- 1 qingkouwei qingkouwei 0 9月 11 23:48 file123
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```
同样道理，用gcc编译生成一个可执行文件时，创建权限是0777，而最终的文件权限是

0777 & ∼022 = 0755。
```
ubuntu:~$ umask
0002
ubuntu:~$ gcc main.c
ubuntu:~$ ls -l a.out
-rwxrwxr-x 1 qingkouwei qingkouwei 7158 9月 11 23:51 a.out
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```
我们看到的都是被umask掩码修改之后的权限，那么如何证明touch或gcc创建文件的权限本来应该是0666和0777呢?我们可以把Shell进程的umask改成0，再重复上述实验:
```
$ rm file123 a.out
$ umask 0
$ touch file123
$ ls -l file123
-rw-rw-rw- 1 qingkouwei qingkouwei $ gcc main.c
0 9月 11 23:52 file123
$ ls -l a.out
-rwxrwxr-x 1 qingkouwei qingkouwei 7158 9月 11 23:52 a.out
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```
现在我们自己写一个程序，在其中调用open(“somefile”, O_WRONLY | O_CREAT, 0664);创建文件，然后在Shell中运行并查看结果:

close函数关闭一个已打开的文件:
```
#include <unistd.h>
int close(int fd); 返回值:成功返回0，出错返回-1并设置errno
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```
参数fd是要关闭的文件描述符。需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。但是对于一个长年累月运行的程序(比如网络服务器)，打开的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源。

由open返回的文件描述符一定是该进程尚未使用的最小描述符。由于程序启动时自动打开文件描述符0、1、2，因此第一次调用open打开文件通常会返回描述符3，再调用open就会返回4。可以利用这一点在标准输入、标准输出或标准错误输出上打开一个新文件，实现重定向的功能。例如，首先调用close关闭文件描述符1，然后调用open打开一个常规文件，则一定会返回文件描述符1，这时候标准输出就不再是终端，而是一个常规文件了，再调用 printf就不会打印到屏幕上，而是写到这个文件中了。后面要讲的dup2函数提供了另外一种办法在指定的文件描述符上打开文件。

1.3.2 最大打开文件个数

查看当前系统允许打开最大文件个数

 cat /proc/sys/fs/file-max
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当前默认设置最大打开文件个数1024

 ulimit -a
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修改默认设置最大打开文件个数为4096

ulimit -n 4096
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1.4 总结

文本介绍了Linux下的文件操作命令、系统调用、API接口等。并介绍了C标准函数与系统函数的区别，PCB概念等。