linux下文件读写操作
Linux下，文件I/O是操作系统与文件系统之间进行数据传输的关键部分。文件I/O操作允许程序读取和写入文件，管理文件的打开、关闭、创建和删除等操作。
1. 文件描述符
在Linux中，每个打开的文件都由一个文件描述符来表示。文件描述符是一个非负整数，通常从0开始，分别表示标准输入stdin、标准输出stdout和标准错误stderr。用户程序打开文件后，操作系统会为其分配一个文件描述符。
2. 文件操作函数
Linux提供了一系列的系统调用和库函数来进行文件操作，主要包括：
-
打开文件
-
open()打开文件并返回文件描述符。文件描述符是进程访问文件的句柄，后续的
read()和write()操作都需要通过它进行。int fd = open("filename", O_RDONLY);
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读取文件
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read()从文件中读取数据。
char buf[1024]; ssize_t bytes_read = read(fd, buf, sizeof(buf));- 流程
- 进程调用
read()，请求从文件中读取数据。 - 内核检查页缓存中是否存在请求的数据
- 如果数据在页缓存中，内核将数据从页缓存复制到用户空间的缓冲区。
- 如果数据不在页缓存中，内核会从磁盘读取数据到页缓存，然后再复制到用户空间。
- 返回实际读取的字节数。
- 进程调用
- 流程
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写入文件
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write()向文件中写入数据。
const char *text = "Hello, world!"; ssize_t bytes_written = write(fd, text, 13);- 流程
- 进程调用
write()，请求将数据写入文件。 - 内核将数据从用户空间复制到页缓存中。
- 数据被标记为“脏页”，表示需要写回磁盘。
- 内核的页回写机制会在适当的时候将脏页写回磁盘。
- 进程调用
- 流程
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页缓存的作用
- 页缓存是内核维护的一块内存区域，用于缓存文件数据。
- 作用
- 减少磁盘I/O：通过缓存文件数据，减少对磁盘的直接访问，提高性能。
- 延迟写入：
write()操作不会立即将数据写入磁盘，而是先写入页缓存，由内核在后续的某个时间点写回磁盘。 - 预读机制：内核会提前读取文件数据到页缓存中，优化后续的
read()操作。
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关闭文件
-
close()使用
close()系统调用关闭文件，释放文件描述符。close(fd);
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文件状态信息
fstat(): 获取文件的状态信息。stat(): 获取文件的状态信息（用于路径名）。
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页回写机制
- 内核会在以下情况下将脏页写回磁盘
- 页缓存中的脏页达到一定比例。
- 进程调用
fsync()或fdatasync()强制刷新页缓存。 - 系统内存不足时，内核会回收脏页。
- 内核会在以下情况下将脏页写回磁盘
3. 文件打开模式
在使用open()函数时，可以指定不同的文件打开模式
O_RDONLY: 只读模式。O_WRONLY: 只写模式。O_RDWR: 读写模式。O_CREAT: 如果文件不存在则创建文件。O_TRUNC: 如果文件存在并以写入模式打开，则将其截断为零长度。O_APPEND: 以追加模式打开文件。
4. 文件I/O缓冲
Linux使用缓冲区来提高文件I/O的效率。标准库函数如fread()、fwrite()通常会使用缓冲I/O，而系统调用如read()、write()则直接与内核进行交互。缓冲区的使用可以减少系统调用的次数，从而提高性能。
5. 文件锁定
在多进程或多线程环境中，文件锁定机制可以防止多个进程同时写入同一个文件，导致数据不一致。常用的文件锁定方法包括
- 共享锁（read lock）：允许多个进程同时读取文件。
- 独占锁（write lock）：只允许一个进程写入文件。
可以使用flock()或fcntl()进行文件锁定。
6. 目录操作
除了普通文件，Linux还支持目录操作。常用的目录操作函数包括：
opendir(): 打开目录。readdir(): 读取目录中的条目。closedir(): 关闭目录。
7. 文件权限与所有权
Linux文件系统具有严格的权限控制。每个文件都有所有者、组和其他用户的权限，可以通过chmod、chown等命令进行管理。
8. 文件系统
Linux支持多种文件系统，如ext4、XFS、Btrfs等。每种文件系统都有其特定的特点和优缺点，适合不同的使用场景。
9. 异步I/O
Linux还支持异步I/O（AIO），允许程序在进行I/O操作时继续执行其他任务，而不必等待I/O操作完成。可以使用aio_read()和aio_write()函数实现异步I/O。
例子1. 文件的创建与写入
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
int fd;
const char *text = "Hello, Linux File I/O!\n";
// 创建并打开文件
fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);
if (fd == -1) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
// 写入数据
write(fd, text, strlen(text));
// 关闭文件
close(fd);
return 0;
}
例子2. 文件的读取
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int fd;
char buffer[100];
ssize_t bytesRead;
// 打开文件
fd = open("example.txt", O_RDONLY);
if (fd == -1) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
// 读取数据
bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (bytesRead == -1) {
perror("Error reading file");
close(fd);
return 1;
}
// 添加字符串结束符
buffer[bytesRead] = '\0';
// 打印读取的数据
printf("Read from file: %s", buffer);
// 关闭文件
close(fd);
return 0;
}
例子3. 追加写入文件
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
int fd;
const char *text = "Appending this line.\n";
// 以追加模式打开文件
fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_APPEND);
if (fd == -1) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
// 追加写入数据
write(fd, text, strlen(text));
// 关闭文件
close(fd);
return 0;
}
例子4. 目录操作示例
#include <stdio.h>
#include <dirent.h>
int main() {
DIR *dir;
struct dirent *entry;
// 打开当前目录
dir = opendir(".");
if (dir == NULL) {
perror("Error opening directory");
return 1;
}
// 读取目录项
while ((entry = readdir(dir)) != NULL) {
printf("Found file: %s\n", entry->d_name);
}
// 关闭目录
closedir(dir);
return 0;
}
例子5. 文件锁定示例
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
int fd;
struct flock lock;
// 打开文件
fd = open("example.txt", O_WRONLY);
if (fd == -1) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
// 初始化锁
lock.l_type = F_WRLCK; // 写锁
lock.l_whence = SEEK_SET;
lock.l_start = 0;
lock.l_len = 0; // 锁定整个文件
// 加锁
if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {
perror("Error locking file");
close(fd);
return 1;
}
// 写入数据
const char *text = "This is a locked write.\n";
write(fd, text, strlen(text));
// 解锁
lock.l_type = F_UNLCK;
fcntl(fd, F_SETLK, &lock);
// 关闭文件
close(fd);
return 0;
}
在Linux中，如果要对其他目录中的文件进行I/O操作，只需在文件路径中指定完整的路径名。
1. 在其他目录中创建和写入文件
假设你想在/tmp目录下创建一个文件并写入数据，可以这样做：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
int fd;
const char *text = "Hello, Linux File I/O in /tmp!\n";
// 创建并打开/tmp目录下的文件
fd = open("/tmp/example.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);
if (fd == -1) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
// 写入数据
write(fd, text, strlen(text));
// 关闭文件
close(fd);
return 0;
}
2. 从其他目录读取文件
如果要从/tmp目录读取文件，可以使用类似的方式：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int fd;
char buffer[100];
ssize_t bytesRead;
// 打开/tmp目录下的文件
fd = open("/tmp/example.txt", O_RDONLY);
if (fd == -1) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
// 读取数据
bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (bytesRead == -1) {
perror("Error reading file");
close(fd);
return 1;
}
// 添加字符串结束符
buffer[bytesRead] = '\0';
// 打印读取的数据
printf("Read from file: %s", buffer);
// 关闭文件
close(fd);
return 0;
}
3. 追加写入其他目录的文件
如果需要在/tmp/example.txt中追加数据，可以这样操作：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
int fd;
const char *text = "Appending this line to /tmp/example.txt.\n";
// 以追加模式打开/tmp目录下的文件
fd = open("/tmp/example.txt", O_WRONLY | O_APPEND);
if (fd == -1) {
perror("Error opening file");
return 1;
}
// 追加写入数据
write(fd, text, strlen(text));
// 关闭文件
close(fd);
return 0;
}
4. 处理文件路径中的空格和特殊字符
如果文件路径中包含空格或特殊字符，可以使用转义字符或用引号括起来。例如：
// 假设文件路径为 "/tmp/my file.txt"
fd = open("/tmp/my\\ file.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);
或者：
fd = open("\"/tmp/my file.txt\"", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);