文件IO

在unix世界中视一切为文件，无论最基本的文本文件还是网络设备或是u盘，在内核看来它们的本质都是一样的。大多数文件IO操作只需要用到5个函数：open 、 read 、 write 、 lseek 以及 close. 这些函数并不是 ISO C 的组成部分，而是unix的系统调用函数。相比较ISO C中带缓冲的IO操作函数，它们是不带缓冲的IO函数。它们之间的区别看上去是这样的：

可以简单的这么来理解，write函数直接将内容写到文件中。而像printf这样的函数将内容先写到缓冲区，然后由缓冲区的方式(行缓冲或者全缓冲)来决定什么时候将缓冲区的内容写到具体的文件中。下面对文件IO操作中的概念还有函数一一介绍。

文件IO的基本概念

下面的这张图表示了打开文件的内核数据结构：

简单来说，首先是一个文件面向用户的文件描述符，然后文件指针指向一个文件表，用来保存文件相关的信息。接下来可以认为与文件物理存储相关的结构。其中涉及的几个文件IO基本概念解释如下：

文件描述符

当调用open函数打开一个文件时会返回一个非负整数来标志该文件。一方面方便内核的管理，另一方面方便代码基于此标志进行后续的文件操作。在UNIX系统中，stdin与文件描述0相互关联；stdout与文件描述符1相互关联；stderr与文件描述符2相互关联。并使用下面的宏定义来提高程序的可读性：STDIN_FILENO 、 STDOUT_FILENO 、 STDERR_FILENO.

文件描述符标志

这个概念容易混淆，文件描述符标志即close-on-exec标志位。如果文件描述符设置了该标志，表示在通过fork函数产生的子进程中调用exec族函数时，该文件描述符会被自动关闭。这样做可以用来保护文件描述符资源，防止泄露。

文件状态标志

文件状态标识用来说明该文件的基本属性。比如是否可读、是否可写、是否阻塞等等。下一小节中会详细的描述。

文件偏移量

当执行读或者写操作时，第一个面临的问题就是在什么位置执行这些操作。文件偏移量这个标志就指明了当前文件相对于起始位置的偏移量。

open函数

open函数的原型如下：

#include <fcntl.h>           

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

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　返回值：若成功返回文件描述符，若出错返回-1

此函数用 path 参数指定文件的路径，用 oflag 参数指定文件状态标识，说明如下：

O_RDONLY: 只读打开

O_WRONLY: 只写打开

O_RDWR: 读写打开

以上三种属于互斥的关系，只能选其一。下面的这些标志位可以通过 '|' 操作来进行叠加。

O_APPEND: 每次写时都追加到文件的尾端。

O_CLOEXEC: 它的含义在上文 文件描述法标志位 中已经阐述清楚了。

O_CREAT: 若文件不存在则创建它。使用此选项时，open函数需同时说明第三个参数mode，来指定该文件的访问权限。如果文件已经存在并不会出错，而是重新创建新文件。

O_EXCL: 如果同时指定了OCREATE，且文件存在，则出错。这个标志可以用来测试文件是否存在，也可以保证对现有文件的保护。

O_NOCTTY: 如果path引用的是终端设备，则不将该设备分配作为此进程的控制终端

O_NOBLOCK: 如果path引用的是一个FITO、一个块特殊文件或一个字符特殊文件，则此选项为文件的本次打开操作和后续的IO操作设置非阻塞方式。

O_SYNC: 使每次write等待物理IO操作完成，包括由该write操作引起的文件属性更新所需的IO。

O_TRUNC: 如果文件存在，而且为只写或读-写成功打开，则将其长度截断为0。

常用的标志位为 O_APPEND, O_CLOEXEC, O_NOBLOCK, O_TRUNC。这些标志位可以通过使用 | 操作符来实现多个开启，如

open("./test.txt", O_RDWD | O_APPEND | O_NOBLOCK);

以读写、追加、非阻塞的方式打开当前目录下的test.txt文件。

此外，openat() 与 create() 函数也可以实现打开文件的功能。但一般使用 open 函数即可。

lseek函数

lseek用于设置当前文件偏移量，其原型如下：

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

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　返回值：若成功返回文件的新的偏移量，若出错返回-1

这个函数将fd描述符的文件的偏移量设置到距离 whence 位置 offset 字节数的地方。whence 示意如下：

SEEK_SET: 文件开始处

SEEK_CUR: 文件当前位置

SEEK_END: 文件结尾

若 lseek 成功执行，返回新的文件偏移量。这是一个非常有用的函数。如果想知道文件当前的偏移量，可以使用下面的这个技巧。

off_t offset;
offset = lseek(fd, , SEEK_CUR);

read write函数

读写函数放在一起比较，便于记忆。read 函数的原型如下：

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

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　返回值：若成功返回读到的字节数，若已到文件结尾返回0，若出错返回-1

fd为所读取文件的描述符，buf用于存放的缓冲区指针，nbytes为预计要读取的字节数。关于返回值：如果read执行成功，返回实际读到的数据（如已到文件尾端，返回0）；如果read出错，返回-1。

有多种的情况下，read 函数多读取的字节数可能会小于所要求的字节数，在网络编程下尤其要注意这一点。

write的函数原型如下：

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

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　返回值：若成功则返回已写的字节数，若出错返回-1

buf指针指向缓存区，nbytes为预计要写的字节数，若 write 函数执行成功，返回实际写入的字节数；若出错，返回-1。其返回值通常与参数nbytes的值相同，否则表示出错。

文件IO操作举例

下面举一个文件处理的小例子，原来文件的结构如下：

[task]
1. test 1
2. test 2
[End]

写一个函数来实现向task和end之间插入一个新的项。下面是代码实现：

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

void taskAdd(const char *str)
{
    int fd;
    ;
    int i;
    char c;
    off_t offset;
    ] = {};
    ] = {};

    // copy data
    strcpy(line, str);
    int len = strlen(line);
    line[len] = '\n';
    line[len + ] = '\n';

    // open the file
    )
    {
        printf("open error\n");
        return;
    }

    // read one line once a time
    )) >  && nRead < )
    {
       )) == '\n')
       {
           // find the [End] flag
           )
           {
               , SEEK_CUR)) < )
               {
                    printf("lseek error\n");
                    return;
               }

               ) < )
               {
                    printf("read error\n");
                    return;
               }
               , SEEK_SET)) < )
               {
                    printf("lseek error\n");
                    return;
               }

               )
               {
                    printf("write error\n");
                    return;
               }

               )
               {
                    printf("write error\n");
                    return;
               }
               close(fd);
               return;
           }

           memset(buf, , );
           nRead = ;
       }
    }
}