木头骑士的Linux编程实验室（二）——基本的文件读写操作

在Linux中，文件是一个相当重要的概念，不光普通的文件需要读写，Linux几乎将所有课读写的东西都抽象成了文件，都采用文件的操作方式进行操作，包括什么设备驱动啦，目录啦，管道啦，符号链接啦，甚至网络间的数据传输，都抽象成了文件，所以，掌握了文件的操作方式，也就几乎能够操作Linux上的一切啦。
文件操作能够管理如此多的东西，所以文件操作也提供了相对比较复杂的函数接口，本章试验几个基本的函数接口，包括open、read、write、lseek和close，他们分别负责打开文件、读文件、写文件、设置文件偏移量以及关闭文件。
下面先给出这几个函数的原型：

#include <fcntl.h>
int open(const char *path, int oflag, ... /* mode_t mode */);
int openat(int fd, const char *path, int oflag, ... /* mode_t mode */);

返回值：成功，返回文件描述符；若出错，返回-1

#include <unistd.h>
int close(int fd);

返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

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

返回值：若成功，返回新的文件偏移量；若出错，返回-1

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

返回值：读到的字节数，若已到文件尾，返回0；若出错，返回-1

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

返回值：若成功，返回已写的字节数；若出错，返回-1

下面对上述函数作出简单说明。
open函数用于将一个用路径字符串表示的文件打开，返回一个文件描述符。文件描述符时一个非负整数，通常调用该函数时，返回的文件描述符都是当前环境下可用的最小整数值。一般一个shell环境下都已经预先打开了3个描述符：0表示标准输入，1表示标准输出，2表示标准出错。open的第一个参数就是要打开的文件。第二个参数oflag用来说明此函数的选项，该选项有多个可选值，本章试验只介绍几个比较常用的：
O_RDONLY 只读打开。
O_WRONLY 只写打开。
O_RDWR 读写打开。
O_EXEC 只执行打开。
O_SEARCH 只搜索打开（应用于目录）。
以上五个标识必须且只能指定一个。一般来说常用的是前3个。
O_APPEND 每次写时都追加到文件的尾端。
O_CREAT 若此文件不存在，则创建它。使用此选项时，open函数需要同时说明第三个参数mode，用mode指定该新文件的访问权限。
O_TRUNC 如果此文件存在，而且为只写或读写成功打开，则将其长度截断为0。
还有其他的标志，在后面试验到更高级的文件操作时，将顺便提及，这里不做过多介绍了。当同时指定多个oflag参数时，要用或标识连接起来。
openat函数提供了一种相对路径打开文件的方法，有一下3种可能：
1.path参数指定的是绝对路径名，在这种情况下，fd参数被忽略，openat函数等同于open
2.path参数指定的是相对路径名，fd参数指出了相对路径名在文件系统中的开始地址。fd参数是通过打开相对路径名所在的目录来获取的。
3.path参数指定了相对路径名，fd参数具有特殊值AT_FDCWD。在这种情况下，路径名在当前工作目录中获取。
Linux还提供了好多以at结尾的系统调用，其参数均符合上述3种可能性，后面就不再赘述了。
close函数用于关闭一个打开的文件，在文件不使用时，要关闭文件，释放文件描述符，同时，也会释放该进程加在该文件上的所有记录锁。
lseek函数用于设置文件的偏移量，表示将文件的偏移量设置成从whence算起offset个字节的偏移量。whence取值如下：

若whence是SEEK_SET，则从文件开始处算起
若whence是SEEK_CUR，则从文件的当前偏移量算起
若whence是SEEK_END，则从文件的结尾算起

read函数从文件中读数据，存放到buf中，nbytes指出每次想要读取的长度。可能文件中没有那么多数据可读了，可以通过返回值确定实际读到的字节数。如果已经达到文件尾了，则会返回0。

write函数将buf中的数据写入文件，写入字节数为nbytes。
下面做第一个实验，已只写并且O_TRUNC的模式打开文件/tmp/a.txt，然后向其中写入字符串"Hello World!"，然后关闭文件，再以只读的方式打开文件，读取文件内容输出到标准输出，然后用lseek将文件偏移量放到文件的第六个字节处，再次读取文件内容并输出到标准输出。代码如下：

void fileTest1(){
    int fd = open("/tmp/a.txt", O_WRONLY | O_TRUNC);
    if(-1 == fd) {
        perror("open error");
        return;
    }
    if (-1 == write(fd, "Hello World!", sizeof("Hello World!"))) {
        perror("write error");
        return;
    }
    if (-1 == close(fd)) {
        perror("close error");
        return;
    }
    fd = open("/tmp/a.txt", O_RDONLY);
    if (-1 == fd) {
        perror("open error");
        return;
    }
    char tmp[20];
    ssize_t readsize = read(fd, tmp, 20);
    if (-1 == readsize) {
        perror("read error");
        return;
    }
    printf("%s\n", tmp);
    if (-1 == lseek(fd, 6, SEEK_SET)) {
        perror("lseek error");
        return;
    }
    readsize = read(fd, tmp, 20);
    if (-1 == readsize) {
        perror("read error");
        return;
    }
    printf("%s\n", tmp);
}

运行结果为：
Hello World!
World!
这里看到，我们在第一次打开文件时指定了O_TRUNC，如果不指定这个标志，在打开文件时，文件偏移量为文件开头处，但是并不清除文件的内容，接下来的写操作就会造成覆盖之前文件内容的情况，如果写入的字符数比文件中原有的字符数要多，那么也没什么问题，反正都覆盖了嘛，但如果写入的字符数比原来文件中的字符数要少，那么文件中没被覆盖的字符数就仍然存在。

接下来在看看open函数的O_CREAT和O_APPEND标志。做下面一个实验：首先在/tmp下只写打开文件b.txt，并删除其中内容，如果文件不存在就创建这个文件，然后向其中写入一行字符串"This is the first line.\n"，然后关闭文件，然后以读写，追加的方式再次打开文件，然后从终端读取输入，追加写入文件中，直到读取到了'*'星号字符为止，最后将整个文件的内容输出。代码如下：

void fileTest2() {
	int fd = open("/tmp/b.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);
	if (-1 == fd) {
		perror("open error");
		return;
	}
	if (-1 == write(fd, "This is the first line.\n", sizeof("This is the first line.\n") - 1)) {
		perror("write error");
		return;
	}
	if (-1 == close(fd)) {
		perror("close error");
		return;
	}
	fd = open("/tmp/b.txt", O_RDWR | O_APPEND);
	if (-1 == fd) {
		perror("open error");
		return;
	}
	char tmp;
	printf("please input something, end with a '*'\n");
	char str[20];
	while('*' != (tmp = getchar())) {
		str[0] = tmp;
		if (-1 == write(fd, str, 1)) {
			perror("write error");
			return;
		}
	}
	if (-1 == lseek(fd, 0, SEEK_SET)) {
		perror("lseek error");
		return;
	}

	int readsize;
	do {
		readsize = read(fd, str, 20);
		if (-1 == readsize) {
			perror("read error");
			return;
		}
		if (-1 == write(1, str, readsize)) {
			perror("write error");
			return;
		}
	} while(0 != readsize);
	close(fd);
}

O_APPEND标志等小于打开文件后执行lseek(fd, 0, SEEK_END);但两者仍有区别。O_APPEND标志使open和lseek两个操作成为一个原子操作，配合后面会试验的记录锁或进程互斥技术，可避免可能出现的多进程操作文件时的文件操作混乱。
O_CREAT标志表示如果没有这个文件，则创建之，此时要为open提供第三个参数，用于表示访问权限。

还有一个专门用于创建文件的系统调用——creat

#include <fcntl.h>
int creat(const char *path, mode_t mode);

返回值：若成功，返回为只写打开的文件描述符；若出错，返回-1
该函数等价于
open(path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode);
入此看来，还是open创建文件方便一些，因为可以同时指定只写之外的读写权限。

说明：本文的实验使用eclipse建立工程，已上传至github:
https://github.com/haoranzeus/LinuxProgrammingLib.git