第5章 文件I/O编程 CHAPTER 5 　　 　　 　　学习Linux环境高级编程，首先学习的是文件的操作。有一句很有趣的话“Linux下一切皆文件”，所以掌握了文件操作的方法，也就算摸到了Linux编程的门路。 5.1 文件和目录 　　首先直观地感受在终端下输入命令ls -l的显示结果，部分程序显示如下： 1. root@unbuntu-virtual-machine:/# ls -l 2. 总用量 1943004 3. drwxr-xr-x 2 root root 4096 3月 10 22:37 bin 4. drwxr-xr-x 3 root root 4096 3月 10 22:38 boot 5. drwxrwxr-x 2 root root 4096 3月 10 22:22 cdrom 6. drwxr-xr-x 18 root root 4100 3月 20 10:57 dev 7. drwxr-xr-x 124 root root 12288 3月 20 13:41 etc 8. drwxr-xr-x 5 root root 4096 3月 20 13:23 home 9. drwxr-xr-x 21 root root 4096 3月 10 22:37 lib 10. drwxr-xr-x 2 root root 4096 3月 20 13:41 lib64 11. drwx------ 2 root root 16384 3月 10 22:21 lost+found 12. drwxr-xr-x 3 root root 4096 3月 20 10:47 media 13. drwxr-xr-x 3 root root 4096 3月 20 10:57 mnt 　　1．drwxr-xr-x 　　drwxr-xr-x代表的是文件类型和文件权限。常用的文件类型如下： 　　（1）-：普通文件，存储各种数据。 　　（2）d：目录文件，存储结构体，结构体内部标识这个目录中的文件等信息。 　　（3）l：链接文件，需要注意的是，软链接才是文件，而硬链接仅是一个节点。 　　（4）c：字符设备，除了块设备都是字符设备，没有扇区的概念。 　　（5）b：块设备，所有存储类的驱动都称为块设备，包含扇区处理。 　　（6）p：管道设备，是用内核内存模拟的通道。 　　从以上说明可以看出，上述程序中的文件是一个目录文件，原因是drwxr-xr-x代表文件类型，d代表此文件是一个目录文件。 　　常用的文件权限如下： 　　（1）r为读，二进制权重为100即4。指用户对文件或目录具有查看权限。若用户对某文件或目录不具有读权限，则不能查看其内容。 　　（2）w为写，二进制权重为010即2。指用户对文件或目录具有写权限。若用户对某文件或目录没有写权限，则不能修改它。 　　（3）x为执行，二进制权重为001即1。指用户对文件具有执行权限或对目录具有进入权限。若用户对某文件没有执行权限，则不能执行它；若用户对某目录没有执行权限，则不能进入它。 　　（4）-为无操作，二进制权重为0。指用户对文件或目录不赋予某种权限。-wx表示不能读，但可写可执行。 　　（5）rwx顺序不可改，表示可读可写可执行。 　　上述就是文件权限的表示方法，文件权限是用八进制来表达的，如果一个文件有全部的权限，那么对应八进制里的数是7（4+2+1）。同时读者会发现有多组rwx，它所表达的不仅是它自身的权限。这里涉及一个分组的概念，分别是创建者（user，u）、所在组（group，g）和其他人（other，o）。 　　（1）u组：创建者（user）。 　　（2）g组：创建者所在组的成员（group）。 　　（3）o组：其他人所具备的权限（other）。 　　也就是说，上述程序中的三组rwx都是依照上述顺序来说明权限的。上述程序中的文件权限就是：创建者可读可写可执行，所在组的成员可读不可写可执行，其他成员可读不可写可执行。 　　2．文件节点数 　　上述程序中文件类型和权限之后是数字2，这个2表示的是文件节点数，也就是说，此文件是一个目录文件。所以，目录的节点数代表该目录下的文件个数，在这里应该是有两个文件。如果此文件不是目录，只是普通文件，那么这个数字就代表硬链接的个数。关于链接的几点说明如下： 　　（1）链接分为硬链接和软链接（符号链接，即快捷方式）。 　　（2）硬链接，只是增加一个引用计数，本质上并没有物理上的增加文件。硬链接不是文件。 　　（3）软链接，是在磁盘上产生一个文件，这个文件内部写入了一个指向被链接的文件的指针。 　　（4）采用ln指令，用来在文件之间创建链接，默认为创建硬链接（目录不能创建硬链接），使用选项-s创建符号链接。硬链接指向文件本身，符号链接指向文件名称。 　　（5）Linux系统中寻找文件的顺序是：根据文件名，找到inode编号，根据编号找到 inode块，然后根据inode块中的属性信息找到数据块（即文件内容）。 　　（6）符号链接、硬链接、Windows快捷方式都具有指向功能，但它们的区别也很明显：Windows快捷方式指向文件的位置，符号链接是一种文件，创建链接时，系统会为符号链接重新分配一个inode（节点）编号，但硬链接根本不是一种文件，只是一种指向。 　　（7）创建硬链接只是增加一个引用计数，硬链接和它的源文件共享一个inode。 　　例如： ln file0 file1 //为文件file0创建硬链接file1 ln -s file1 file2 //为文件file2创建软链接,其中file1为刚创建的硬链接(即file0本身) 　　3．目录文件 　　工作目录是进入系统后所在的当前目录。“.”表示当前目录（工作目录），“..”表示上一级目录（父目录）。 　　用户目录是每创建一个用户时，就会分配的一个目录，用户名对应的目录就是用户目录，每个用户都有一个自己的主目录，主目录用“~”表示。 　　路径是从树型目录的某个目录层次到某个文件的一种通路。例如： ../../mnt/hgfs/project/linux 　　路径分为如下两种： 　　（1）相对路径：在工作目录下找到的一个文件路径（通路），随工作目录变化而变化。 　　（2）绝对路径：从根目录开始，只有一条路径。 　　目录是一种特殊的文件，在该文件中存放了多个结构体数据，用来代表目录内的子目录、文件等信息。其结构如下： struct direct{ ino_t d_ino; //目录文件的节点编号 off_t d_off; //目录文件开始到目录进入点的位移 unsigned short d_reclen; //d_name的长度(字符串长度) unsigned char d_type; //d_name的类型 char d_name[256]; //文件或目录名 }; 　　在前面的学习中介绍过，C语言本身有自己的函数库，如果需要实现某个功能，包含头文件后直接调用就好。那么在操作系统中，依然会给用户提供一些功能接口API。用户要实现某些功能必须要依赖这些API以及一些机制。 5.2 目录操作 　　1．创建目录 　　表头文件： #include 　　定义函数： int mkdir(const char *path，mode_t mode); 　　函数说明： 　　path：目录名。 　　mode：模式，即访问权限，包含如下选项： 　　（1）S_IRUSR：属主读权限。 　　（2）S_IWUSR：属主写权限。 　　（3）S_IXUSR：属主执行权限。 　　（4）S_IRGRP：属组读权限。 　　（5）S_IWGRP：属组写权限。 　　（6）S_IXGRP：属组执行权限。 　　（7）S_IROTH：其他用户读权限。 　　（8）S_IWOTH：其他用户写权限。 　　（9）S_IXOTH：其他用户执行权限。 　　可以使用S_IRUSR | S_IWUSR组合权限。可以直接使用数字，例如八进制数 0777、0666等。例如： int err=mkdir("./aaa",0777); //在当前目录下创建一个aaa目录。注意Linux建立的目录的权限默认是755，若实现777，需要在终端下输入命令umask 0 解除。 　　返回值：如果返回0，则表示成功；如果返回-1，则表示失败。如果创建成功，则在创建的目录自动创建两个子目录“.”和“..”。 　　示例5.2-1　创建目录。 1. #include 2. #include 3. #include 4. #include 5. int main(int argc,char **argv){ 6. int err=mkdir(argv[1],0666); //0666 7. if (err==-1){ 8. printf("----- mkdir err no=%d,str=%s\n",errno,strerror(errno)); 9. } 10. return 0; 11. } 　　第8行代码中errno错误号是系统全局变量，运行函数时，系统将运行的错误号写入errno中，strerror()将错误号对应的说明取出。 　　Linux错误处理，采用一个全局变量errno，用来存储函数执行后的错误编码。每个错误编码号都对应了一个解释，即错误提示内容。获取错误提示使用如下函数： #include char *strerror(int errno); //根据错误号获取字符串 errno 0代表成功,非零代表错误，由strerror获取提示 　　运行结果如下： 1. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# vim Example5.2-1.c 2. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# gcc Example5.2-1.c -o Example5.2-1 3. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# ./example5.2-1 test 　　用户可以在当前文件夹下查看刚才创建的test文件夹。 　　文件或目录创建后，查看权限可能不是自已通过函数设定的权限。原因是文件或目录的权限不能超过系统设定的最大权限。对于文件和目录创建之后的file mode权限，按照如下方法计算： 　　文件创建权限如下： PERM_MAX_FILE & (mode) 　　目录创建权限如下： PERM_MAX_DIR & (mode) 其中，mode就是创建文件或目录时输入的参数。 　　而最大权限的计算方法如下： PERM_MAX_FILE = 0666 & ~(umask) //umask是权限掩码,为系统内建umask的设定值 PERM_MAX_DIR = 0777 & ~(umask) 　　例如： umask 0022 PERM_MAX_FILE = 0666 & ~(umask) = 0644 PERM_MAX_DIR = 0777 & ~(umask) = 0755 　　所以在创建文件时，指定的权限不能超过MAX。 　　2．删除目录 int rmdir(const char *path); 　　返回值：如果返回0，则表示成功；如果返回?1，则表示失败。 　　说明：只能删除空目录。 　　3．获取当前目录及执行目录 　　（1）获取当前目录，即执行程序时所在的目录。 　　表头文件： #include 　　定义函数： char *getcwd(char *buf,size_t size); 　　函数说明： 　　buf：保存当前目录的内存地址。 　　size：为内存的大小。 　　返回值：如果获取成功，则返回获取的目录，如果获取失败，则返回NULL。 　　示例5.2-2　获取当前目录。 1. #include 2. #include 3. #include 4. #include 5. int main(int argc,char **argv){ 6. char dir[256]; 7. getcwd(dir,256); //设定buf的内存空间为256字节 8. printf("---- %s\n",./dir); //输出当前的工作目录 9. return 0; 10. } 　　运行结果如下： 1. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# gcc Example5.2-2.c -o Example5.2-2 2. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# ./Example5.2-2 3. ---- /home/linux/chapter5 　　第7行代码中，getcwd()会将当前的工作目录绝对路径复制到参数buf所指的内存空间，即字符型数dir中。在调用此函数时，buf所指的内存空间要足够大，若工作目录绝对路径的字符串长度超过参数size大小，则返回值NULL。 　　（2）获取程序运行路径，即应用程序存放的位置。 　　表头文件： #include 　　定义函数： int readlink(const char *path, char *buf, size_t bufsiz); 　　函数说明： 　　path：符号链接，在Linux中执行程序都用"/proc/self/exe"符号链接。 　　buf：用来写入正在执行的文件名（包含绝对路径）的内存。 　　bufsiz：指明buf的大小。 　　返回值：如果获取成功，则返回符号链接所指的文件路径字符串，如果获取失败，则返回?1。 　　示例5.2-3 获取当前文件或者目录的路径。 1. #include 2. #include 3. #include 4. #include 5. int main(int argc,char **argv){ 6. //获取程序目录，执行时在其他目录执行 7. char dir[256]={0}; 8. int err=readlink("/proc/self/exe",dir,256); //读取程序执行路径 9. if (err==-1) return -1; //如果读取失败，则返回-1 10. int i; 11. for(i=strlen(dir)-1;i>=0 && dir[i]！='/';i--); 12. dir[i]=0; 13. //打开程序所在目录中的文件 14. char filename[256]; 15. sprintf(filename,"%s/%s",dir,argv[1]); 16. printf("---- %s\n",filename); 17. FILE *fp=fopen(filename,"r"); 18. if (fp==NULL){ 19. printf("---- %s\n",strerror(errno)); 20. } 21. return 0; 22. } 　　运行结果如下： 1. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# gcc Example5.2-3.c -o Example5.2-3 2. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# ./Example5.2-3 test 3. ---- /home/linux/chapter5/test 　　4．获取目录或文件的状态 　　表头文件： #include #include 　　定义函数： 　　（1）读取指定文件或目录的状态信息。 int stat(const char *path, struct stat *buf); 　　（2）读取已打开的文件状态信息。 int fstat(int filedes, struct stat *buf); 　　函数说明： 　　path：路径或文件名。 　　filedes：已打开文件或目录的句柄。 　　buf：是struct stat结构的指针，其结构格式如下： struct stat{ unsigned short st_mode; //文件保护模式(即文件类型) unsigned short st_nlink; //硬链接引用数 unsigned short st_uid; //文件的用户标识 unsigned short st_gid; //文件的组标识 unsigned long st_size; //文件大小 unsigned long st_atime; //文件最后的访问时间 unsigned long st_atime_nsec; //文件最后的访问时间的秒数的小数 unsigned long st_mtime; //文件最后的修改时间 unsigned long st_mtime_nsec; unsigned long st_ctime; //文件最后状态的改变时间 unsigned long st_ctime_nsec; ... }; 　　返回值：返回获取文件状态的信息。 　　（3）判断文件类型及访问权限。 　　方法1：在struct stat结构中，由st_mode字段记录了文件类型及访问权限，操作系统提供了一系列的宏来判断文件类型。结果如下： S_ISREG(mode) //判断是否为普通文件 S_ISDIR(mode) //判断是否为目录文件 S_ISCHR(mode) //判断是否为字符设备文件 S_ISBLK(mode) //判断是否为块设备文件 S_ISFIFO(mode) //判断是否为管道设备文件 S_ISLNK(mode) //判断是否为符号链接 　　示例5.2-4 判断文件类型。 1. #include 2. #include 3. #include 4. #include 5. #include 6. #include 7. int main(int argc,char **argv){ 8. struct stat st; //定义一个stat类型的结构体，命名为st 9. int err= stat(argv[1],&st); //读取文件或目录状态信息 10. if (err==-1) return -1; //如果执行失败，返回-1 11. if (S_ISDIR(st.st_mode)) printf("isdir\n"); //访问st_mode字段， //判断是否为目录文件 12. else if (S_ISREG(st.st_mode)) printf("file\n"); //访问st_mode字段， //判断是否为普通文件 13. } 　　运行结果如下： 1. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# chmod 777 Example5.2-4.c 2. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# gcc Example5.2-4.c -o Example5.2-4 3. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# ./Example5.2-4 test 4. isdir 5. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# ./Example5.2-4 Example5.2-3.c 6. file 　　方法2：也可以直接读取st_mode内的数据，不过st_mode内的数据是组合而成的数据，包括很多信息，需要进行“与”运算才能读取这个字段中的数据。st_mode是用特征位来表示文件类型的，特征位的定义如下： 　　S_IFMT 　　0170000 　　文件类型的位遮罩 　　S_IFSOCK 　　0140000 　　socket 　　S_IFLNK 　　0120000 　　符号链接（symbolic link） 　　S_IFREG 　　0100000 　　一般文件 　　S_IFBLK 　　0060000 　　区块装置（block device） 　　S_IFDIR 　　0040000 　　目录 　　S_IFCHR 　　0020000 　　字符装置（character device） 　　S_IFIFO 　　0010000 　　先进先出（FIFO） 　　S_ISUID 　　0004000 　　文件的set user-id on execution位 　　S_ISGID 　　0002000 　　文件的set group-id on execution位 　　S_ISVTX 　　0001000 　　文件的sticky位 　　S_IRWXU 　　00700 　　文件所有者的遮罩值（即所有权限值） 　　S_IRUSR 　　00400 　　文件所有者具有可读取权限 　　S_IWUSR 　　00200 　　文件所有者具有可写入权限 　　S_IXUSR 　　00100 　　文件所有者具有可执行权限 　　S_IRWXG 　　00070 　　用户组的遮罩值（即所有权限值） 　　S_IRGRP 　　00040 　　用户组具有可读取权限 　　S_IWGRP 　　00020 　　用户组具有可写入权限 　　S_IXGRP 　　00010 　　用户组具有可执行权限 　　S_IRWXO 　　00007 　　其他用户的遮罩值（即所有权限值） 　　S_IROTH 　　00004 　　其他用户具有可读取权限 　　S_IWOTH 　　00002 　　其他用户具有可写入权限 　　S_IXOTH 　　00001 　　其他用户具有可执行权限 　　示例5.2-5 判断文件类型。 1. #include 2. #include 3. #include 4. #include 5. #include 6. #include 7. int main(int argc,char **argv){ 8. struct stat st; //定义一个stat类型的结构体，命名为st 9. int err= stat(argv[1],&st); //读取文件或目录状态信息 10. if (err==-1) return -1; //如果执行失败，则返回-1 11. if (st.st_mode & S_IFREG) //与对应的标志位相与运算 12. printf("file\n"); 13. else if (st.st_mode & S_IFDIR) //与对应的标志位相与运算 14. printf("isdir\n"); 15. } 　　运行结果如下： 1. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# gcc Example5.2-5.c -o Example5.2-5 2. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# ./Example5.2-5 Example5.2-3.c 3. file 4. root@ubuntu:/home/linux/chapter5# ./Example5.2-5 test 5. isdir 5.3 文件操作 5.3.1 基本概念 　　1．流 　　流指数据的永久性存储，主要指数据以文件为单位存储在磁盘上。Linux以字节为单位操作数据，所有的数据都是0或1的序列，如果需要让读者读懂数据，则以字符的方式显示出来，这就是所谓的文本文件。 　　而数据不是存在磁盘上后就永远不动，往往要被读入内存、传送到外部设备或搬移到其他位置，所以数据不断地在流动。然而不同设备之间的连接方法差异很大，数据读取和写入的方式也不相同，所以Linux定义了流（stream），建立了一个统一的接口，无论数据是从内存到外设，还是从内存到文件，都使用同一个数据输入/输出接口。 　　2．文件流和标准流 　　文件操作有两种方法：原始I/O和标准I/O。 　　1）标准I/O 　　标准I/O是标准C的输入/输出库，fopen、fread、fwrite、fclose都是标准C的输入/输出函数。标准I/O都使用FILE * 流对象指针作为操作文件的唯一识别，所以标准I/O是针对流对象的操作，是带缓存（内存）机制的输入/输出。标准I/O又提供了如下3种不同方式的缓冲： 　　（1）全缓冲。即缓冲区被写满或是调用fflush后，数据才会被写入磁盘。 　　（2）行缓冲。即缓冲区被写满或是遇到换行符时，才会进行实际的I/O操作。当流涉及一个终端时（标准输入和标准输出），通常使用行缓冲。 　　（3）不缓冲。标准I/O库不对字符进行缓存处理。标准出错流stderr往往是不带缓存的，使得出错信息可以尽快显示出来。 　　2）原始I/O 　　原始I/O又称文件I/O，是Linux操作系统提供的API，称为系统调用，是针对描述符（即一个编号）操作的，是无缓存机制。 　　3）文件描述符 　　创建一个新的文件或打开已有文件时，内核向进程返回一个非负整数（即编号），用来识别操作的是哪个文件。对于Linux而言，所有打开的文件都是通过文件描述符引用的，在操作系统内部有一个宏定义了描述符的最大取值OPENMAX，不同版本的Linux的取值不同。 　　Linux编程使用的open、close、read、write等文件I/O函数属于系统调用的，其实现方式是用了fctrl、ioctrl等一些底层操作的函数。而标准I/O库中提供的是fopen、fclose、fread、fwrite等面向流对象的I/O函数，这些函数在实现时本身就要调用Linux的文件I/O。在应用上，文件读写时二者并没区别，但是一些特殊文件，例如管道等只能使用文件I/O操作。 　　3．标准输入、标准输出和标准错误 　　当Linux执行一个程序时，会自动打开三个流：标准输入（standard input）、标准输出（standard output）和标准错误（standard error）。命令行的标准输入连接到键盘，标准输出和标准错误都连接到屏幕。对于一个程序来说，尽管它总会打开这三个流，但它会根据需要使用，并不是一定要使用。系统默认打开的三个文件描述符（为进程预定义的三个流）如下： STDIN_FILENO 0 标准输入,用于从键盘获取数据 STDOUT_FILENO 1 标准输出,用于向屏幕输出数据 STDERR_FILENO 2 标准错误,用于获取错误信息 　　例如，使用标准输入和输出：