open/close函数

查看open函数帮助手册：

• 终端：man 2 open（按G跳转到末尾，一般会有小demo）
• vim：光标移到函数处，命令模式下输入2K（2代表系统调用）

头文件可简化为：#include<unistd.h>和#include <fcntl.h>

open函数返回值为文件描述符，三个参数分别为：文件路径、打开模式（可以通过“|”运算符来组合多个flag）和权限（仅适用于创建新文件，并且权限受umask影响：文件权限 = mode & ~umask）

举例如下：

第三个例子的参数含义：如果a.cp文件存在，则清空为0且以只读方式打开；若不存在，则创建a.cp文件且赋予644权限，即rw-r–r–

close函数返回值为0表示成功，-1 表示有错误发生，参数为文件描述符

errno即error number，相当于内核中的全局变量，不用自己定义，只需引入头文件#include<errno.h>，用来帮助我们确认错误信息，比如：

open函数常见错误：

• 打开文件不存在（即上述举例情况）
• 以写方式打开只读文件
• 以只写方式打开目录

笔记：

错误处理函数

1. 直接输出errno：printf("xxx error: %d\n", errno);
2. strerror函数：char *strerror(int errnum)，示例：printf("xxx error: %s\n", strerror(errno));
3. perror函数：void perror(const char *s)，参数是自定义的错误信息前缀。示例：perror("open errorrrr!"); 打开不存在的文件，输出如下：

read函数

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数：

• fd：文件描述符
• buf：存数据的缓冲区
• count：缓冲区大小

返回值：实际读到的字节数

• 0：读到文件末尾
• >0：成功，读到的字节数
• -1：失败，设置 errno（如果errno = EAGIN 或 EWOULDBLOCK，说明不是read失败，而是read在以非阻塞方式读一个设备文件/网络文件，并且文件无数据）

ps：可以用perror来提示错误👇

write函数

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数：

• fd：文件描述符
• buf：待写出数据的缓冲区（与read函数相比多了const关键字，目的是防止写函数过程中误操作把原文件修改了）
• count：数据大小

返回值：

• 成功：写入的字节数
• 失败： -1， 设置 errno

预读入缓输出机制

像read、write这类函数通常被称为unbuffered I/O，指的是无用户级缓冲区（图中蓝色缓冲区），但不保证不使用内核缓冲区。read、write系统函数使用用户级缓冲区要自己定义，而fputc这类标准库函数自带用户级缓冲区，一般默认大小为4096字节。

缓冲区

• unbuffered I/O（系统调用）无用户级缓冲区
• 标准库函数自带用户级缓冲区
• 内核自带缓冲区
• 缓冲区默认都是4kb，即4096字节

系统调用

是什么：由操作系统实现并提供给外部应用程序的编程接口，是应用程序和系统之间数据交互的桥梁。

C标准函数和系统函数调用关系，一个helloworld如何打印到屏幕上：

库函数和系统调用

两种函数的执行过程：

• 执行库函数–》系统调用–》调用内核驱动
• 执行系统函数–》直接调用内核驱动

看似好像系统函数比库函数执行起来少了一步，速度会更快，但并不一定。一是因为标准库函数沉淀了数年，相较于自己写的函数，优化工作已经做得很好；二是在不清楚原理的前提下，直接使用系统函数，可能发挥不出原本的性能。例如上述的预读入缓输出机制，fputc函数自带用户级缓冲区，而write函数要自己定义，如果定义的缓冲区大小不合适，写入的速度在大部分情况下就不如fputc函数。

因此，在编程时尽量使用标准库函数。

文件描述符

进程地址空间如下图所示，以0-4G举例：0-3G是用户区，3G-4G是内核区，write这种系统调用可以完成用户区到内核区的切换。

PCB进程控制块：本质是结构体，有很多成员，其中一个很重要的成员就是文件描述符表。表中的每一个元素就是一个个文件描述符，表面是int整数（即fd，图中右侧的下标，特性是新打开文件时优先使用数字最小的空闲下标），但本质是指向一个文件结构体的指针。文件结构体即struct file1{···}，里面记录了该文件的一些信息，比如文件的偏移量、访问权限等等。

如上图文件描述符表所示，一个进程最多打开的文件数量为1024，其中前三个是固定的：

• 0 – STDIN_FILENO（对应终端输入设备）
• 1 – STDOUT_FILENO
• 2 – STDERR_FILENO

文件描述符：0/1/2/3/4。。。。/1023 表中可用的最小的。

阻塞/非阻塞

产生阻塞的场景：读设备文件、读网络文件（读常规文件无阻塞概念）

阻塞/非阻塞是设备、网络文件的属性，不是导致阻塞的函数（比如read系统函数）的属性

示例：终端设备文件/dev/tty默认为阻塞状态，这意味着如果打开时文件无数据就会一直阻塞，解决方法为以非阻塞方式打开，这样读取时如果无数据会直接返回-1

open("/dev/tty", O_RDWR|O_NONBLOCK)

fcntl函数

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

功能（之一）：改变一个已经打开的文件的访问控制属性

• 获取文件属性： F_GETFL
• 设置文件属性： F_SETFL

示例：上个示例通过重新打开终端设备文件/dev/tty利用open函数来设置其为非阻塞状态，但也可以不用非得重新打开文件来设置其为非阻塞状态，而是通过fcntl函数

int flgs = fcntl(fd,  F_GETFL); //获取文件状态
flgs |= O_NONBLOCK;             //对非阻塞标志进行或等于位运算
fcntl(fd,  F_SETFL, flgs);      //设置文件状态为非阻塞

lseek函数

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

参数：

• fd：文件描述符
• offset：偏移量
• whence：起始偏移位置： SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END

返回值：

• 成功：较起始位置偏移量
• 失败：-1 errno

应用场景：

• 文件的“读”、“写”操作共同一偏移位置，因此如果写完想再读出来就需要写完把偏移位置往前移
• 使用lseek获取文件大小 int length = lseek(fd, 0, SEEK_END);
• 使用lseek拓展文件大小，但是要想使文件大小真正拓展，必须有IO操作

ps：使用lseek函数来获取文件大小并不常规，一般使用stat函数。同样，使用lseek函数来拓展文件大小也不常规，一般使用truncate函数直接拓展文件：int ret = truncate("dict.cp", 250); 返回值为0表示拓展成功，-1表示失败

• int truncate(const char *path, off_t length);
• int ftruncate(int fd, off_t length);

传入/传出参数

传入参数

1. 指针作为函数参数
2. 通常有const关键字修饰
3. 指针指向有效区域， 在函数内部做读操作

示例：char *strcpy(char *dest, const char *src); 的第二个参数const char *src

传出参数

1. 指针作为函数参数
2. 在函数调用之前，指针指向的空间可以无意义，但必须有效
3. 在函数内部，做写操作
4. 函数调用结束后，充当函数返回值

示例：char *strcpy(char *dest, const char *src); 的第一个参数char *dest

传入传出参数

1. 指针作为函数参数
2. 在函数调用之前，指针指向的空间有实际意义
3. 在函数内部，先做读操作，后做写操作
4. 函数调用结束后，充当函数返回值

示例：char *strtok_r(char *str, const char *delim, char **saveptr); 的第三个参数char **saveptr

文件存储

Inode

概念：表面是一个整数（inode号），本质上是结构体，存储文件的属性信息。比如：权限、类型、大小、时间、用户、盘块位置等等，大多数的inode都存储在磁盘上，少量常用、近期使用的inode会被缓存到内存中。

dentry

概念：目录项，其本质依然是结构体，重要成员变量有两个：文件名和inode号，文件内容保存在磁盘盘块中。当对一个文件创建硬链接时，也就是创建了一个新的目录项。

stat/lstat 函数

功能：获取文件属性（从inode结构体中获取）

头文件： #include <sys/stat.h>

函数原型：int stat(const char *pathname, struct stat *buf);

返回值：

• 0：成功
• -1：失败 errno

参数：

• path：文件路径（文件名）
• buf：存放文件属性（传出参数，也是一个结构体，struct stat是一个在Linux系统中用于描述文件状态的结构体）
  • buf.st_size：文件大小
  • buf.st_mode：文件类型
  • buf.st_nlink：硬链接数
  • buf.st_mode：文件权限（文件权限位图如下图所示）

lstat函数与stat函数基本一致，但是在判断文件类型时，stat会穿透符号链接（软链接），而lstat不会（即abc是一个目录，abc.s是它的软链接，用stat函数判断abc.s文件类型结果是目录，而用lstat函数判断abc.s文件类型结果是软链接）

link/unlink函数

函数原型：

• int link(const char *oldpath, const char *newpath);
• int unlink(const char *pathname);

Linux系统删除文件的机制是不断将硬链接 -1，直至减到0为止。无目录项对应的文件，将会被操作系统择机释放（具体时间由系统内部调度算法决定）。因此从某种意义上说，删除文件只是让文件具备了被释放的条件。
unlink函数的特征：清除文件时，如果文件的硬链接数到0了，没有entry对应，但该文件仍不会马上被释放。要等到所有打开该文件的进程关闭该文件，系统才会挑时间将该文件释放掉。

当进程结束运行时，所有该进程打开的文件会被关闭，申请的内存空间会被释放，系统的这一特性被称为隐式回收系统资源。

目录操作函数

目录文件也是“文件”，其文件内容是该目录下所有子文件的目录项 dentry，目录文件的rwx权限与普通文件有所区别：

• r读权限：对于目录而言就是目录可以被浏览，比如ls、tree命令
• w写权限：对于目录而言就是目录文件内容，也就是目录项可以被增删修改，即目录里的文件可以被增删修改，比如mv、touch、mkdir命令
• x执行权限：对于目录而言就是目录可以被打开、进入，比如cd命令。
  

opendir函数

功能：根据传入的目录名打开一个目录（库函数，所以手册是第三卷：man 3 opendir）

函数原型：DIR *opendir(const char *name);

返回值为目录结构体的指针

closedir函数

功能：关闭打开的目录

函数原型：int closedir(DIR *dirp);

readdir函数

功能：读取目录（库函数）

函数原型：struct dirent *readdir(DIR *dirp);

返回值为目录项结构体的指针：

struct dirent {
	inode;
	char dname[256];
    ···
};

ps：一般要配合while循环使用，因为一次只能读取一个目录项

编程练习：实现递归遍历目录（类似于ls -R）

思路：

1. 判断命令行参数，获取用户要查询的目录名
   • 目录名：argv[1]
   • 如果用户没有传入目录，当作./处理，判断条件：argc == 1
2. 判断用户指定的是否是目录：stat S_ISDIR(); –> 封装函数 isFile() { }
3. 读目录伪代码：

 read_dir() { 

	opendir(dir)

	while(readdir()) {

		普通文件：直接打印

		目录：
			拼接目录访问绝对路径：sprintf(path, "%s/%s", dir, d_name)

			递归调用自己→ opendir(path) readdir closedir
	}

	closedir()

}
read_dir() --> isFile() ---> read_dir()

完整代码：my_ls-R.c

 #include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/stat.h>
#include<dirent.h>
void read_dir(char *dir);
void isFile(char *name);

//处理目录
void read_dir(char *dir) {
    DIR *dp;
    struct dirent *sdp;
    char path[256];
    
    dp = opendir(dir);
    if(dp == NULL) {
        perror("opendir error:");
        return ;
    }
    
    //读取目录项 
    while((sdp = readdir(dp)) != NULL) { 
        if(strcmp(sdp->d_name, ".") == 0 || strcmp(sdp->d_name, "..") == 0) {
            continue;
        }
        //目录项本身不可访问，要拼接出访问路径
        sprintf(path, "%s/%s", dir, sdp->d_name);
        //判断文件类型，目录就递归进入，文件显示名字和大小
        isFile(path);
    }

    closedir(dp);

    return ;
}

void isFile(char *name) {
    int ret = 0;
    struct stat sb;

    //获取文件属性，判断文件类型
    ret = stat(name, &sb);

    if(ret == -1) {
        perror("stat error:");
        return ;
    }

    //目录文件
    if(S_ISDIR(sb.st_mode)) {
        read_dir(name);
    }
    //普通文件
    printf("%s\t%ld\n", name, sb.st_size);

    return ;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    //判断命令行参数
    if(argc == 1) {
        isFile(".");
    } else {
        isFile(argv[1]);
    }

    return 0;
}