Linux文件及文件I/O

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在Linux下，一切皆文件。这是我们嵌入式Linux开发与应用这门课的老师经常挂在嘴边的一句话。足以体现出在Linux操作系统中，对于一切资源的管理都是对文件的操作。

Linux系统中每一个分区都是一个文件系统，都有自己的目录层次。Linux会将这些在不同分区的，单独的文件系统按一定的方式形成一个系统的总目录层次结构。

Linux下可以通过shell命令来操作文件，但是功能有一定限制；我们也可以通过系统调用或者C语言的库函数对文件进行操作

1. Linux下的文件主要包括两方面的数据：文件本身所包含的数据，以及文件属性，也称为元数据。
2. 目录在Linux下也是文件，称为目录文件。目录文件的内容是该目录的目录项，目录项是该目录下的文件和目录相关的信息。每当创建一个新目录的时候，OS会自动创建两个目录项——“.”和“..”
3. Linux采用的是标准的目录结构——树形结构（B树家族）

Linux既然采用了树形结构的目录形式，整个OS只有一棵文件树，这样方便OS对文件进行统一管理。Linux操作系统中的这颗文件树的树根叫做根文件系统，用“/”表示，可以通过使用cd /命令直接到达根目录。各个磁盘是通过挂载以文件夹的形式访问

根文件系统：

• /bin：该目录下存放供用户使用的完成基本维护任务的命令.
• /boot:该目录下存放着和OS启动时使用的一些核心文件。
• /dev:该目录中包含所有的系统设备文件。从该目录可以访问各种系统设备，它还包含了创建设备文件的MAKEDEV.
• /home:该目录存储普通用户的个人文件，每个用户的主目录均在/home下以用户名命名的文件夹。
• /etc:该目录包含系统和应用软件的配置文件。
• /lib:该目录存放着系统最基本的共享链接库（相当于Windows下的DLL）和内核模块。
• /lib64:如果是64位系统，它会有这个，存放64程序的共享链接库，同时也会有一个lib32.
• /media:可移动设备的挂载点，OS通常把U盘等设备自动挂载到该目录下。
• /opt:第三方的软件默认安装到这个位置。并不是每个Linux发行版都会创建这个目录。
• /mnt:临时用于挂载文件系统的。一般情况下这个目录下是空的，在我们挂载分区的时候会在该目录下创建目录。
• /proc:存在于内存中的虚拟文件系统，里面保存了内核和进程的状态信息。
• /root:这是root（超级管理员）用户的主目录，于/home下的普通用户目录类型。
• /sbin:供root用户使用的可执行文件，多是系统管理命令。
• /usr:静态的用户级应用程序。
• /tmp:该目录用于保存临时文件。

Linux文件分类：

1. 普通文件：用户和OS的数据，程序等信息文件
2. 目录文件：Linux文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中，所以目录就是一张表。OS可以修改目录文件，用户只能读目录文件
3. 设备文件：Linux下一切皆文件，设备也是文件。每一种I/O设备对应一个设备文件，存放于/dev下。
4. 管道文件：这是Linux用于进程之间通信的文件，一个进程在管道这一段写入数据，另一个进程在管道的另一端读取数据。管道文件一般是FIFO文件。
5. 链接文件：又被称作符号链接文件，它提供了一种共享文件的方式。它包含了指向文件的指针。

通过ls -l可以查看文件类型和属性

结果分多行显示，距离说明一下每行显示的意义。例如第一行exec这个文件的信息行。首先，我们看到这行以“-”开头，表示exec是一个普通文件。同时注意到第三行以d开头，这说明new是一个目录文件。

• -：表示普通文件
• d：表示目录文件
• l：表示链接文件
• c：表示字符设备
• b：表示块文件
• p：表示管道文件
• f：表示堆栈文件

接着看第一个符号后面的信息，注意到后面仍旧有9个字符。这9个字符分成3组，即每3个一组，”w"表示可写，“r”表示可读，“x”表示可执行。第一组3个符号表示的是文件拥有者对该文件的权限；第二组3个符号表示该文件所在组的其他拥有者对该文件的权限；第3组表示系统其他用户对该文件的权限。

继续可以看到有个数字，对于普通文件，这个数字表示链接数，对于目录文件来说这个数字表示第一级子目录数。接下来的两组信息分别是用户名和组名，然后是文件大小（单位是字节），接着是文件最后的修改日期，最后就是文件名。

Linux文件描述符

在Linux下当一个进程打开文件的时候，OS会返回相应的文件描述符，程序为了处理该文件必须使用这个文件描述符。文件描述符是一个正整数。一般而已，当一个进程启动的时候，他会打开3个文件：标准输入，标准输出，标准错误。这3个文件对应的文件描述符分别是0,1,2.通常使用宏：STDIN_FILENO,STDOUT_FILENO,STDERR_FILENO.文件描述符是一个索引，指向内核中打开文件的记录表。

Linux操作系统给我们提供了6个系统调用create，open，write，close，read，lseek。系统调用是不带缓冲区的。他们是POSIX标准提供的。这些函数需要的头文件#include<fcntl.h>,#include<sys/types.h>,#include<sys/stat.h>。

create函数用于创建一个文件，它的功能可以被open函数取代，open函数由3个参数的时候，就可以当做create函数使用，这时如果文件不存在，open就会创建这样一个文件。例如：open(path,O_WRONLY|O_CREAT|O_TURNC,mode);并且open弥补了create的一个不足之处是：create创建的文件是以只写方式打开所创建的文件，所以当需要读取的时候，需要先close，然后在open一次。现在则可以这样：open(path,O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,mode);

mode值包含了对文件的访问权限位。正如上面描述的一样，每个文件有9个访问权限位，并且可以分为3组。

如果打开的文件是在某个目录文件下，那么该目录应该是可执行的，因为对于目录文件而言，可执行代表着搜索位，我们可以找该目录下的文件。目录的读只代表我们可以读取该目录的文件列表，不能进行其他操作。如果当前打开了一个文件，如果是root用户的进程，那么它肯定能访问该文件。如果进程是文件所有者执行的，那么对文件的权限取决于第一组的权限；如果进程是文件所有者所在组或者附属组之一，那么对文件的权限取决于第二组权限。若进程是其他用户执行的，那么对文件的操作取决于第三组权限。

在使用open函数打开一个文件的时候，最常用的三个参数是：O_WRONLY(只写),O_RDONLY(只读),O_WRRD(可读可写)

另外两种是：O_EXEC（执行），O_SEARCH（搜索，应用于目录）。另外open打开的文件，返回的文件描述符一定是最小的未使用描述符。path所指定的路径可以是绝对路径，也可以是相对路径。

read函数用于从已打开的文件中读取数据

如果read成功，返回读取到的字节数。若已到达文件尾端，返回0。读取出错返回-1.

write函数用于讲数据写入已打开的文件中

如果写入成功，返回以写字节数，否则，返回-1.

close函数用于关闭文件

关闭一个文件并释放该进程加在该文件上的所有锁。当一个进程终止的时候，会自动关闭它打开的所有文件。所有有时候并不显式的使用close关闭文件。返回0表示成功，返回-1表示错误。

lseek函数用于移动文件的读写位置。

每个打开文件都有一个与其相关联的“当前文件偏移量”。用于计算从文件开始处的字节数。通常，读写都是从当前文件偏移量处开始的，并使用偏移量增加所读写的字节数。系统默认该偏移量为0。可以使用lseek函数来指定一个打开文件的偏移量。

一个简单的例子如下：

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

int main()
{
    int fd,size;
    int l;
    char str[] = {"This is My Schoolnumber:1507050314"};
    char tmp[51] = {0};
    fd = creat("hello.txt",(S_IRUSR|S_IWUSR));     //在当前目录创建一个hello.txt文件，他是可读可写的。
    write(fd,str,strlen(str));    //写入This is My Schoolnumber:这句话
    close(fd);                        //关闭文件
    open("hello.txt",O_RDONLY);       //以只读方式打开文件
    read(fd,tmp,strlen(str));      //读文件
    close(fd);              //关闭文件 
    printf("%s\n",tmp);

    return 0;
}

打印结果如下：

需要注意的是，tmp数组需要全部初始化为0，'\0'的ASCII就是0.这样将打开的文件中读取的文本信息打印的时候才能正常打印，不会乱码。否则不知道在哪儿终止，将会产生乱码。

注意：在使用Linux的系统调用操作文件的时候，是无缓冲的，这点很重要。当你在做少量，大批次写入的时候效率会很低。因此注意使用缓冲（用数组的之类的暂时保存一下），能提高I/O效率。

另外一个测试程序如下：

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

int main()
{
    int fd,size;
    int l;
    char str1[] = {"This is My Schoolnumber:1507050314\n"};
    char str2[] = {"This is My Schoolnumber:1507050316\n"};
    char tmp[51] = {0};
    fd = creat("hello.txt",(S_IRUSR|S_IWUSR));     //在当前目录创建一个hello.txt文件，他是可读可写的。
    write(fd,str1,strlen(str1));    //写入This is My Schoolnumber:这句话
    close(fd);                        //关闭文件
    open("hello.txt",O_RDWR|O_APPEND);       //以可读可写，写追加方式打开文件
    lseek(fd,5,SEEK_CUR);            //更改文件偏移量，从5这个位置开始计算偏移量
    read(fd,tmp,strlen(str1));      //读文件
    write(fd,str2,strlen(str2));    //写文件
    close(fd);              //关闭文件 
    printf("%s",tmp);
    return 0;
}

运行结果如下：

打印的是“is My Schoolnumber”，没有了This。说明更改这个当前文件偏移量成功了。使用cat命令打印Hello.txt文件的内容，可以看到写入也是成功的。

lseek不可以用于管道，FIFO，socket文件。另外lseek的文件偏移量的大小可以大于当前文件的长度，在这种情形下，对该文件的下一次写将加长该文件，并在文件中构成一个空洞。文件空洞并不要求在磁盘上占据空间。