初级文件IO——IO过程、open、close、write、read、lseek、dup、dup2、errno、perror

先要回答的问题

文件IO指的是什么？

本文主要讲述如何调用Linux OS所提供的相关的OS API，实现文件的读写。

如何理解文件IO？

IO就是input output的意思，文件io就是文件输入输出，也就是文件读写。

文件读写，读写的是什么？

是数据。

文件IO(Input Output)，也就是输入输出是对什么而言的？参考点是什么？

是CPU

能不能越过OS，直接操作文件呢？

当有OS的时候，应用程序基于OS运行时，必须通过OS API假借OS之手，才能操作底层硬件，无法回避。

文件IO涉及到的OS API

①open函数：打开文件

②close函数：关闭文件

③read函数：从打开的文件读数据

④write函数：向打开的文件写数据

⑤lseek函数：移动在文件中要读写的位置

⑥dup函数：文件读写位置重定位函数，本来是写到这个文件，重定位后可以写到另一个文件里面

⑦fcntl函数：文件描述符设置函数

⑧ioctl函数：一个特殊的函数

文件读写的简单例子

文件操作三步曲

①打开文件　　open函数

②读、写等操作文件　　read、write函数

③关闭文件　　close函数

代码演示

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

 int main(void)
 {
     int fd = ;

     fd = open("./file.txt", O_RDWR);
     if(- == fd)
     {
         printf("open fail\n");
         return ;
     }
     else
     {
         printf("open ok\n");
     }

     char buf1[] = "hello world";
     write(fd, (void *)buf1, );

     lseek(fd, , SEEK_SET);

     char buf2[] = {};
     read(fd, buf2, sizeof(buf2));

     printf("buf2 = %s\n", buf2);    

     close(fd);

     return ;
 }

API

open

原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); 

功能

第一种：只能打开存在的文件，如果文件不存在就返回-1报错。

第二种：如果文件存在就直接打开，如果文件不存在，就按照mode指定的文件权限，创建一个该名字的新文件。也就是说三个参数时，不仅包含打开已存在文件的功能，还多了一个创建文件的功能。

参数

pathname：表示路径名，很简单

flags：

flags的作用？

flags用于指定文件的打开方式，这些宏还可以使用|组合，比如O_RDONLY | O_APPEND，同时指定多个宏。

这些宏对应的就是一些整形数，#define O_RDONLY 2。

这些宏被定义在了那里？

定义在了open所需要的头文件中，使用open函数时，必须要包含对应的头文件，否者，这些宏你就用不了。

宏的含义

（1）O_RDONLY：只读方式打开文件，只能对文件进行读

（2）O_WRONLY：只写方式打开文件，只能对文件记性写

（3）O_RDWR：可读可写方式打开文件，既能读文件，也能写文件

以上这三个在指定时，只能唯一指定，不可以组合，比如O_RDONLY|O_WRONLY。

（4）O_TRUNC：打开时将文件内容全部清零空

（5）O_APPEND：打开文件后，写数据时，原有数据保留，新写的数据追加到文件末尾，此选项很重要。如果不指定这个选项的话，新写入的数据会从文件头上开始写，覆盖原有的数据。

（6）O_CREAT

open两个参数时的缺点？

只能用于打开已经存在的文件，如果文件不存在就返回-1报错。

O_CREAT的作用

可以解决两个参数的缺点，指定O_CREAT时，如果：

文件存在：直接打开

文件不存在：创建该“名字”的文件。

不过指定O_CREAT，需要给open指定第三个参数mode，用于指定新创建文件的原始权限。

（7）O_EXCL

当O_EXCL与O_CREAT同时被指定，打开文件时，如果文件之前就存在的话，就报错。

意义：保证每次open的是一个新的文件，如果文件以前就存在，提醒你open的不是一个新文件。

mode：创建文件时，用于指定文件的原始权限，其实就是rwxrwxr--。

返回值

如果打开成功，返回一个非负整数的文件描述符。

如果打开失败，返回-1，并且设置错误号给系统定义的全局变量errno，用于标记函数到底出了什么错误。

close

原型

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

功能

关闭打开的文件。

参数

fd：文件描述符

返回值

成功返回零，失败返回-1并设置errno

备注

就算不主动的调用close函数关闭打开的文件，进程结束时，也会自动关闭进程所打开的所有的文件。但是如果因为某种需求，你需要在进程结束之前关闭文件的话，就主动的调用close函数来实现。Linux c库的标准io函数fclose，向下调用时，调用就是close系统函数。

write

原型

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

功能

向fd所指向的文件写入数据。

参数

fd：指向打开的文件　　

buf：保存数据的缓存空间的起始地址

count：从起地址开始算起，把缓存中count个字符，写入fd指向的文件

返回值

调用成功：返回所写的字符个数

调用失败：返回-1，并给errno自动设置错误号

数据中转过程

应用缓存（buf）————>open打开文件时开辟的内核缓存——————>驱动程序的缓存——————>块设备上的文件

read

原型

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

功能

从fd指向的文件中，将数据读到应用缓存buf中

参数

fd：指向打开的文件

buf：读取到数据后，用于存放数据的应用缓存的起始地址

count：缓存大小（字节数）

返回值

调用成功：返回所写的字符个数

调用失败：返回-1，并给errno自动设置错误号

数据中转的过程

应用缓存（buf）<————open打开文件时开辟的内核缓存<——————驱动程序的缓存<——————块设备上的文件

lseek

原型

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

功能

调整读写的位置，就像在纸上写字时，挪动笔尖所指位置是一样的。

C库的标准io函数里面有一个fseek函数，也是用于调整读写位置的，fseek就是对lseek系统函数封装后实现的

参数

fd：文件描述符，指向打开的文件

whence：

粗定位，选项有：

SEEK_SET：调到文件起始位置
SEEK_CUR：调到文件当前读写的位置
SEEK_END：调到文件末尾位置

offset：　　

精定位：微调位置，从whence指定的位置，向前或者向后移动指定字节数。

为负数：向前移动指定字节数
为正数：向后移动指定字节数

不过当whence被指定为SEEK_SET时，如果offset被指定为负数的话，是没有意义，为什么？

因为已经到文件头上了，在向前移动就越界了，不再当前文件的范围内了，如果非要向前调整，lseek函数会报错。

返回值

返回当前读写位置相对于文件开始位置的偏移量（字节）。

可以使用lseek函数获取文件的大小，怎么获取？　　

答：将文件读写的位置移动到最末尾，然后获取返回值，这个返回值就是文件头与文件尾之间的字节数，也就是文件大小。

调用失败，返回-1，并给errno设置错误号。

dup

原型

#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);

功能

复制某个已经打开的文件描述符，得到一个新的描述符，这个新的描述符，也指向被复制描述符所指向的文件。

比如：4指向了某个文件，从4复制出5，让5也指向4指向的文件。

复制某个已经打开的文件描述符，得到一个新的描述符，这个新的描述符，也指向被复制描述符所指向的文件。

参数

oldfd：会被复制的、已经存在的文件描述符。

返回值

成功：返回复制后的新文件描述符

失败：返回-1，并且errno被设置。

dup2

原型

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd); 

功能

功能同dup，只不过在dup2里面，我们可以自己指定新文件描述符。如果这个新文件描述符已经被打开了，dup2会把它给关闭后，再使用。

比如：dup(2, 3);　　

从2复制出3，让3也指向2所指向的文件，如果3之前被打开过了，dup2会关闭它，然后在使用。

dup2和dup的不同之处在于：

dup：自己到文件描述符池中找新文件描述符

dup2：我们可以自己指定新文件描述符

参数

oldfd：会被复制的、已经存在的文件描述符。

newfd：新的文件描述符

返回值

成功：返回复制后的新文件描述符

失败：返回-1，并且errno被设置。

Linux错误号——errno

在前面的代码中，如果open失败了，只是笼统的打印出“打开文件失败了”，但是并没有提示具体出错的原因，没有详细的出错原因提示，遇到比较难排查的错误原因时，很难排查出具体的函数错误。open失败，如何具体打印出详细的出错信息呢？这就不得不提errno的作用了。

什么是ernno？

函数调用出错时，Linux系统使用错误编号（整形数）来标记具体出错的原因，每个函数有很多错误号，每个错误号代表了一种错误，产生这个错误时，会自动的将错误号赋值给errno这个全局变量。errno是Linux系统定义的全局变量，可以直接使用。

错误号和errno全局变量被定义在了哪里？

都被定义在了errno.h头文件，使用errno时需要包含这个头文件。

打印出具体的出错原因

perror

原型

#include <stdio.h>
void perror(const char *s); 

功能

perror(s) 用来将上一个函数发生错误的原因输出到标准设备(stderr)。参数 s 所指的字符串会先打印出，后面再加上错误原因字符串。此错误原因依照全局变量errno的值来决定要输出的字符串。

参数

　　s：在错误原因前面打印的一串字符

返回值

　　无

工作原理

perror函数可以自动将“错误号”换成对应的文字信息，并打印出来，方便我们理解。perror是一个C库函数，不是一个系统函数。调用perror函数时，它会自动去一张对照表，将errno中保存的错误号，换成具体的文字信息并打印出来，我们就调用perror函数时，它会自动去一张对照表，将errno中保存的错误号，换成具体的文字信息并打印出来，我们就能知道函数的具体错误原因了。

代码演示

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

int main(void)
{
    int fd = ;

    fd = open("./file.txt", O_RDWR);
    //fd = open("./file.txt", O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL, 0664);
    if(- == fd)
    {
        printf("open fail: %d\n", errno);
        perror("open fail");
        return ;
    }
    else
    {
        printf("open ok\n");
        printf("fd = %d\n", fd);
    }

    char buf1[] = "hello world";
    write(fd, (void *)buf1, );

    lseek(fd, SEEK_SET, );

    char buf2[] = {};
    read(fd, buf2, sizeof(buf2));

    printf("buf2 = %s\n", buf2);
    close(fd);

    return ;
}

输出结果

open fail:
open fail: No such file or directory

perror会在入参字符串后加：，打印错误原因，在换行