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4 Linux 文件操作

4.1 基于文件指针的文件操作

• Linux 中对目录和设备的操作都是文件操作，文件分为普通文件，目录文件，链接文件和设备文件。
• 普通文件：也称磁盘文件，并且能够进行随机的数据存储(能够自由 seek 定位到某一个位置)。
• 管道：是一个从一端发送数据，另一端接收数据的数据通道。
• 目录：也称为目录文件，它包含了保存在目录中文件列表的简单文件。
• 设备：该类型的文件提供了大多数物理设备的接口。它又分为两种类型：字符型设备和块设备。字符型设备一次只能读出和写入一个字节的数据，包括调制解调器、终端、打印机、声卡以及鼠标；块设备必须以一定大小的块来读出或者写入数据，块设备包括 CD-ROM、RAM 驱动器和磁盘驱动器等。一般而言，字符设备用于传输数据，块设备用于存储数据。
• 链接：类似于 Windows 的快捷方式，指包含到达另一个文件路径的文件。
• 基于文件指针的文件操作函数是 ANSI 标准函数库的一部分。

4.1.2 文件的创建，打开与关闭

使用文件指针来访问文件的方法是由标准 C 规定的，相关函数的原型为：

#include <stdio.h> //头文件包含
FILE* fopen(const char* path, const char* mode);//文件名 模式
int fclose(FILE* stream)

• fopen 以 mode 的方式打开或创建文件，如果成功，将返回一个文件指针，失败则返回 NULL。fopen 创建的文件的访问权限将以 0666 与当前的 umask 结合来确定。

• mode 的可选模式列表，如下所示：
  

• 在 Linux 系统中,mode 里面的’b’(二进制)可以去掉，但是为了保持与其他系统的兼容性，建议不要去掉。

• ab 和 ab+为追加模式，在此两种模式下，在一开始的时候读取文件内容是从文件起始处开始读取的，而无论文件读写点定位到何处，在写数据时都将是在文件末尾添加（写完以后读写点就移动到文件末尾了），所以比较适合于多进程写同一个文件的情况下保证数据的完整性。

4.1.3 读写文件

基于文件指针的数据读写函数较多，可分为如下几组：

块读写

#include <stdio.h>
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

• fread 从 stream 读取 nmemb 个元素到 ptr，每元素 size 字节。
• fwrite 从 ptr 写入 nmemb 个元素到 stream，每元素 size 字节。
• 操作从当前读写点开始，完成后自动移动 size * nmemb 字节。

格式化读写

#include <stdio.h>
int printf(const char *format, ...);
int scanf(const char *format, ...);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
int sprintf(char *str, const char *format, ...);
int sscanf(const char *str, const char *format, ...);

• fprintf 写入 stream；sprintf 写入字符串；fscanf, sscanf 对应读取。

单字符读写

#include <stdio.h>
int fgetc(FILE *stream);
int fputc(int c, FILE *stream);
int getc(FILE *stream);
int putc(int c, FILE *stream);
int getchar(void);
int putchar(int c);

• getchar, putchar 对应 stdin/stdout。

字符串读写

char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
int fputs(const char *s, FILE *stream);
int puts(const char *s);
char *gets(char *s);

• fgets 从 stream 读取一行，保留 \n；fputs 写一行，不自动加 \n。
• gets 不安全，建议使用 fgets。

文件定位

#include <stdio.h>
int feof(FILE *stream);
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
long ftell(FILE *stream);
void rewind(FILE *stream);

• fseek(stream, offset, whence) 定位：SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END。
• ftell 返回当前偏移；rewind 移至开头；feof 判断 EOF。

4.1.4 文件的权限

#include <sys/stat.h>
int chmod(const char* path, mode_t mode);

• mode 如 0777（八进制），修改文件访问权限。

4.2 目录操作

4.2.1 获取、改变当前目录

#include <unistd.h>
char *getcwd(char *buf, size_t size);
int chdir(const char *path);

• getcwd(NULL,0) 自动 malloc 空间，需 free。
• chdir(path) 等同 cd 命令。

4.2.2 创建和删除目录

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int mkdir(const char *pathname, mode_t mode);
int rmdir(const char *pathname);

• mkdir 创建目录，mode 权限；rmdir 删除空目录。
• 环境变量：echo $PATH; export PATH=$PATH:dir。

4.2.3 目录的存储原理

• 文件系统用 inode 管理文件：存放位置信息、类型、权限、时间等。
• 目录文件固定大小，存放多个 dirent 节点（链式结构）。

struct dirent {ino_t d_ino;off_t d_off;unsigned short d_reclen;unsigned char d_type;char d_name[256];
};

4.2.4 目录相关操作

#include <dirent.h>
DIR *opendir(const char *name);
struct dirent *readdir(DIR *dir);
void rewinddir(DIR *dir);
void seekdir(DIR *dir, off_t offset);
off_t telldir(DIR *dir);
int closedir(DIR *dir);
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int stat(const char *pathname, struct stat *buf);

• 打开目录后，用 readdir 迭代，最后 closedir。
• stat 获取文件状态。

4.3 基于文件描述符的文件操作

4.3.1 文件描述符

• POSIX 提供无缓冲 I/O，文件由整数描述符表示。文件描述符索引内核中文件表。

4.3.2 打开、创建和关闭文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
int creat(const char *pathname, mode_t mode);
int close(int fd);

• open 返回 fd，失败返回 -1。
• 常用 flags：O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR, O_CREAT, O_EXCL, O_TRUNC, O_APPEND, O_NONBLOCK, O_SYNC。
• creat(path, mode) 等价 open(path, O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY, mode)。
• close(fd) 释放锁并递减引用计数。

4.3.3 读写文件

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

• 失败返回 -1，读完返回 0，否则返回字节数。

4.3.4 改变文件大小

#include <unistd.h>
int ftruncate(int fd, off_t length);

• 将文件截断或扩展到 length，成功返回 0。
• 常与 mmap 配合使用。

4.3.5 文件映射

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t off);

• 将文件映射到内存，无需 read/write。
• 需与 ftruncate 配合调整文件大小。

4.3.6 文件定位

#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

• lseek 返回新的偏移位置，可创建文件空洞。

4.3.7 获取文件信息

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int stat(const char *file_name, struct stat *buf);
int fstat(int fd, struct stat *buf);

• struct stat 包含多种属性：st_mode, st_size, st_atime, st_mtime, st_ctime 等。
• 宏判断类型：S_ISREG, S_ISDIR, S_ISLNK, etc。

4.3.8 文件描述符的复制

#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);

• dup 自动分配新描述符；dup2 指定新描述符，新描述符若已打开则先关闭。
• 应用：输出重定向。

4.3.9 文件描述符和文件指针

• fopen 本质调用 open，可用 fileno(fp) 获取底层 fd。
• fdopen(fd, mode) 为 fd 创建缓冲流。

4.3.10 标准输入输出文件描述符

• STDIN_FILENO=0, STDOUT_FILENO=1, STDERR_FILENO=2 对应 stdin, stdout, stderr。

4.3.11 管道

• 无名管道：半双工通信，文件类型 p。

• Shell：

  mkfifo name
  cat name   # 读
  echo "..." > name   # 写
  

• C 程序分别 open(..., O_RDONLY) / O_WRONLY。

4.4 I/O 多路转接模型

4.4.1 读取阻塞

• 默认阻塞模式，read 无数据则阻塞。
• 双管道可实现全双工。

4.4.2 select

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
int select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, struct timeval *timeout);

• FD_ZERO, FD_SET, FD_CLR, FD_ISSET 操作 fd_set。
• timeout NULL 永久等待。

4.4.3 select 的退出机制

• 写端关闭后，读端 read 返回 0，select 标记可读。
• 应检测 read 返回 0 并退出。

4.4.4 超时处理

• 每次调用前需重置 struct timeval。

4.4.5 写集合

• 写阻塞：管道满时写端阻塞；select 可监听写就绪。