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问题引入

文件流和文件描述符的区别

上节讲到ＡＮＳＩ　Ｃ 库函数的实现在用户态，流的相应资源也在用户空间，但无论如何实现最终都需要通过内核实现对文件的读写控制．因此ｆｏｐｅｎ函数必然调用了对ＯＳ的系统调用．这一调用在LINUX下即为open, close, read, write等函数．这些都遵循ＰＯＳＩＸ标准．

ｓｏ，在linux系统中是如何通过ＰＯＳＩＸ标准实现对文件的操作和目录的管理的呢？

问题解析

linux系统对文件结构的定义如下：fs.h头文件

查看完整文件,请访问:http://www.cs.fsu.edu/~baker/devices/lxr/http/source/linux/include/linux/fs.h

struct file {
906         /*
907          * fu_list becomes invalid after file_free is called and queued via
908          * fu_rcuhead for RCU freeing
909          */
910         union {
911                 struct list_head        fu_list;
912                 struct rcu_head         fu_rcuhead;
913         } f_u;
914         struct path             f_path;
915 #define f_dentry        f_path.dentry
916 #define f_vfsmnt        f_path.mnt
917         const struct file_operations    *f_op;
918         spinlock_t              f_lock;  /* f_ep_links, f_flags, no IRQ */
919         atomic_long_t           f_count;
920         unsigned int            f_flags;
921         fmode_t                 f_mode;
922         loff_t                  f_pos;
923         struct fown_struct      f_owner;
924         const struct cred       *f_cred;
925         struct file_ra_state    f_ra;
926 
927         u64                     f_version;
928 #ifdef CONFIG_SECURITY
929         void                    *f_security;
930 #endif
931         /* needed for tty driver, and maybe others */
932         void                    *private_data;
933 
934 #ifdef CONFIG_EPOLL
935         /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
936         struct list_head        f_ep_links;
937 #endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
938         struct address_space    *f_mapping;
939 #ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT
940         unsigned long f_mnt_write_state;
941 #endif
942 };

文件描述符&文件结构

而对于用户空间来说，任何打开的文件都将内分配一个非负数，用于表示这个被打开的文件，该值是文件描述符，因此任何进程在运行时候默认打开的三个流对象都有自己的文件描述符，对应为０，１，２．

标准文件的文件描述符定义如下：

下图是进程打开文件的内核数据结构:

文件流与文件描述符的转换

Linux为用户层提供了函数fileno()从文件流中读取其文件描述符,即获取struct FILE的_fileno成员,而fdopen()函数实现某个流与一个文件描述符相接.

函数声明如下:

POSIX标准下文件I/O 管理

首先看OS源代码对文件操作的定义:

打开文件,使用系统的open函数.

#include <fcntl.h>

int open(const char *path, int oflag, ... );

该函数的第一个参数是要打开文件的路径,第二个参数是打开文件的方式,各个方式的定义如下:

关闭文件使用close函数

#include <unistd.h>

int close(int fildes);

创建文件

除了在open函数中的参数O_CREATE,还可以显式的使用create函数,

#include <fcntl.h>

int creat(const char *path, mode_t mode);

下面是一个示例程序.

#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
	int fd_open,fd_open_create,fd_create;
	if((fd_open=open("/bin/ls",O_RDONLY))==-1)  // open a file existed
	{
		perror("open");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("the file's descriptor is:%d\n",fd_open);
	// open a file ,if not existed then create one which named temp1
	if((fd_open_create=open("./tmp1",O_CREAT|O_EXCL,0644))==-1)
	{
		perror("open");
	//	exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("the tmp1 file descriptor is:%d\n",fd_open_create);

	if((fd_create=creat("./tmp2",0644))==-1)  // create temp2
	{
		perror("create");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("the tmp2 file descriptor is:%d\n",fd_create);

	close(fd_open);
	close(fd_create);
	close(fd_open_create);               // close file
	return 0;
}

文件控制fcntl

#include <fcntl.h>

int fcntl(int fildes, int cmd, ...);

常用的命令有:

具体各个参数的意义不再赘述,可以自己搜索.

读写文件内容

点击查看详细说明

read()函数

write()函数

文件定位

在对文件进行读写的时候,当打开文件时通常有一个读写位置,通常是指向文件的头部,若是以附加的的方式打开文件,则在文件你尾部.

lseek()函数

下面是一个示例:

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

char buf1[] = "1234567890\n";   // 临时需要写入的信息
char buf2[] = "ABCDEFGHIJ\n";
char buf3[] = "abcdefghij\n";

int main(int argc,char *argv[])
{
	int fd;
	if ( (fd = creat("/tmp/test",0644 )) < 0)   // 创建文件
	{
		perror("creat");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	if (write(fd, buf1, 10) != 10)             // 从文件开始写
	{
		perror("write");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	
	if(lseek(fd, 20, SEEK_SET) == -1)         // 从20位置写
	{
		perror("lseek");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	if (write(fd, buf2, 10) != 10)           
	{
		perror("write");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	
	if(lseek(fd, 10, SEEK_SET) == -1)         // 从10开始写
	{
		    perror("lseek");
			    exit(EXIT_FAILURE);
	}
	if (write(fd, buf3, 10) != 10)
	{
		    perror("write");
			    exit(EXIT_FAILURE);
	}
	return 0;
}

result:

锁定解锁文件

flock()函数和fcntl()都可以对文件进行锁定和解锁.但是前者只能锁定整个文件,而后者可以提供任意位置的文件锁定.

下面的示例程序是fcntl对文件锁定操作,在某个进程锁定的时期,另一个进程无法操作文件.

其中一个进程的代码如下:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
struct flock* file_lock(short type, short whence)
{
    static struct flock ret;
    ret.l_type = type ;
    ret.l_start = 0;
    ret.l_whence = whence;
    ret.l_len = 0;
    ret.l_pid = getpid();
    return &ret;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
    int fd = open(argv[1], O_WRONLY|O_APPEND);
	int i;
	time_t now;
    for(i=0; i<1000; ++i) {
        fcntl(fd, F_SETLKW, file_lock(F_WRLCK, SEEK_SET));
		time(&now);
		printf("%s\t%s F_SETLKW  lock file %s for 5s\n",ctime(&now),argv[0],argv[1]);
        char buf[1024] = {0};
        sprintf(buf, "hello world %d\n", i);
        int len = strlen(buf);
        if(write(fd, buf, len))
			printf("%s\t%s write file sccess\n",ctime(&now),argv[0],argv[1]);
		sleep(5);	
        fcntl(fd, F_SETLKW, file_lock(F_UNLCK, SEEK_SET));
       sleep(1);
    }
    close(fd);
}

在一个终端运行一个进程如下:

目录流基本操作

本部分提到的函数的用法和上面的函数用法差不多,具体的需要请查阅源代码或文档使用.

1.打开关闭目录文件

函数opendor()和

closedir()函数

2.读写目录内容

readdir()       // 多线程操作中不安全

readdir_r()   // 实现多线程读取目录内容

3.定位目录位置

telldir()类似与ftell()函数,返回目录相关联的当前的位置.

seekdir()类似与文件定位函数fseek()函数

rewinddir()函数类似与文件读写位置重置函数rewind()

4.添加和删除目录

mkdir()

rmdir()

5.当前工作路径操作

getcwd()获取当前路径

get_current_dir_name() 也是

修改当前目录:

chdir()   &&    fchdir()

案例应用

递归文件的目录复制操作

其中mian函数的流程图如下

程序的难点在于递归子目录,下面是递归子目录的流程图:

源代码如下:

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

/*cp the link_file's src to dst*/
int cp_file(const char *src, const char *dst,mode_t mode)
{
	int fd_src,fd_dst;
	if(-1 == (fd_src =http://www.mamicode.com/open(src,O_RDONLY)))>
运行结果如下:

显示成功复制.

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