linux系統調用open、write、close、read以及stat函數詳解

學習筆記參考鏈接1 、參考鏈接2以及百度百科
在進行C語言學習的時候我們了解到了C語言相關的一些IO操作，如fopen，fwrite，fread，fprintf，fclose等相關函數，他們都是由C庫函數提供的一些函數，是將操作系統的系統調用加以封裝，雖說Linux是由C語言實現的，但為了使我們更加的了解Linux，就需要了解更接近與底層的一些IO操作，因此就需要來了解下基本的系統調用—open，write，read，close
首先我們來了解下open，write，read，close的系統調用

open

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

open有三個參數
pathname：要打開或創建的目標文件名
flags：對文件進行多種操作也就有有多個參數，這多個參數可以進行或運算，即就是flags
參數：
O_RDONLY:只讀打開
O_WRONLY:只寫打開
O_RDWR:讀，寫打開
O_CREAT:若文件不存在，創建文件
O_APPEND:追加寫
參數1，2，3，必須制定一個且只能制定一個，使用參數4，必須使用open的第三個參數mode：新文件的訪問權限
返回值：成功：新打開文件的文件描述符（fd）
失敗：-1

write

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

fd：文件描述符
buf：寫入的緩沖區
count：寫的字符長度，也就是看你需要寫多少
返回值：
如果順利write()會返回實際寫入的字節數。當有錯誤發生時則返回-1，錯誤代碼存入errno中。
read

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

fd：文件描述符
buf：讀入的緩沖區
count：寫的字符長度，也就是看你需要寫多少
返回值
如果順利read()會返回實際寫入的字節數。當有錯誤發生時則返回-1，錯誤代碼存入errno中。
close

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

close的參數就相對簡單了，這一個操作是不能遺漏的，只要了使用fd就必須close它
在這幾個函數中都涉及到了關鍵的參數fd，因此要了解這幾個函數，就必須先了解下文件描述符（fd）。
什么是文件描述符，這是一個相對抽象的概念，我們先來看看下面這張圖
這里寫圖片描述
在PCB結構體中存在一個files指針，它指向一個file_struct結構體，而在file_struct結構體中存在一個file* fd數組，這個數組里面存放的是file指針，用來指向不同的file文件，而fd就可以理解為這個指針數組的下標，因此要打開一個文件，我們就可以拿到該文件的fd就可以了。
fd的分配原則：
在files_struct數組當中，使用沒有被使用的最小下標，作為新的文件描述符。
操作系統默認使用了該數組的前三個元素，0號下標指向標準輸入（stdin），1號下標指向標準輸出（stdout），2號下標指向標準錯誤（stderr）。
因此正常情況下，新的fd都是從3開始的，但如果我們關閉了默認的fd，新的文件的fd就從關閉的fd處開始。
說到了fd，我們就不得不來區分下FILE和fd
FILE是C庫當中提供的一個結構體，而fd是系統調用，更加接近于底層，因此FILE中必定封裝了fd。
我們可以來看看FILE的結構體：
typedef struct _IO_FILE FILE;在/usr/include/stdio.h
它的結構體中有這么一段

struct _IO_FILE {int _flags;       /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags//緩沖區相關/* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. *//* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */char* _IO_read_end;   /* End of get area. */char* _IO_read_base;  /* Start of putback+get area. */char* _IO_write_base; /* Start of put area. */char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */char* _IO_write_end;  /* End of put area. */char* _IO_buf_base;   /* Start of reserve area. */char* _IO_buf_end;    /* End of reserve area. *//* The following fields are used to support backing up and undo. */char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */ char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */struct _IO_marker *_markers;struct _IO_FILE *_chain;int _fileno;//fd的封裝

可以看到int_fileno就是對fd的封裝，在這一部分的開頭有一大段跟緩沖區相關的內容，為什么要諾列出它呢，首先可以來看一個很詭異的例子：

#include <stdio.h>                                                            #include <string.h>#include <unistd.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/types.h>#include <fcntl.h>int main(){const char *msg1 = "hello printf\n";const char *msg2 = "hello fwrite\n";const char *msg3 = "hello write\n";printf(msg1);fwrite(msg2, 1, strlen(msg2), stdout);write(1, msg3, strlen(msg3));fork();return 0;}

運行結果：

[rlh@localhost test]$ ./hello
hello printf 
hello fwrite 
hello write

但當我們對進程實現輸出重定向，你就會發現詭異的事情：

[rlh@localhost test]$ ./hello > file
[rlh@localhost test]$ cat file 
hello write 
hello printf 
hello fwrite 
hello printf 
hello fwrite

這是為什么呢，這是跟C庫的緩沖數據有關，C庫緩沖數據分為三種（1）、無緩沖（2）、行緩沖（3）、全緩沖。

行緩沖就是往顯示器上寫，全緩沖就是往文件里寫。

在上面的現象中，write不受影響是因為它屬于系統調用，沒有緩沖區，而printf和fwrite會自帶緩沖區，當發生重定向到普通文件的時候，它就會從行緩沖轉變為全緩沖，也就是會往文件里面寫寫，但是我們緩沖區里的數據，即使fork也不會立即被刷新，當進程退出后會統一刷新，寫入文件，但是fork的時候會發生寫時拷貝，也就是當父進程準備刷新的時候，子進程就已經有了一份相同的數據，所以就會產生上面的現象。

了解下重定向。
重定向分為三種：
輸出重定向（>）也就是關閉fd為1下標所指向的內容
輸入重定向（<）同理就是關閉fd為0下標所指向的內容
追加重定向（>>）后面多一個追加選項

stat函數

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int stat(const char *file_name, struct stat *buf);

函數說明: 通過文件名filename獲取文件信息，并保存在buf所指的結構體stat中
返回值: 執行成功則返回0，失敗返回-1，錯誤代碼存于errno

錯誤代碼:
ENOENT 參數file_name指定的文件不存在
ENOTDIR 路徑中的目錄存在但卻非真正的目錄
ELOOP 欲打開的文件有過多符號連接問題，上限為16符號連接
EFAULT 參數buf為無效指針，指向無法存在的內存空間
EACCESS 存取文件時被拒絕
ENOMEM 核心內存不足
ENAMETOOLONG 參數file_name的路徑名稱太長
eg:

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {struct stat buf;stat("/etc/hosts", &buf);printf("/etc/hosts file size = %d/n", buf.st_size);
}

struct stat {dev_t         st_dev;       //文件的設備編號ino_t         st_ino;       //節點mode_t        st_mode;      //文件的類型和存取的權限nlink_t       st_nlink;     //連到該文件的硬連接數目，剛建立的文件值為1uid_t         st_uid;       //用戶IDgid_t         st_gid;       //組IDdev_t         st_rdev;      //(設備類型)若此文件為設備文件，則為其設備編號off_t         st_size;      //文件字節數(文件大小)unsigned long st_blksize;   //塊大小(文件系統的I/O 緩沖區大小)unsigned long st_blocks;    //塊數time_t        st_atime;     //最后一次訪問時間time_t        st_mtime;     //最后一次修改時間time_t        st_ctime;     //最后一次改變時間(指屬性)
};

先前所描述的st_mode 則定義了下列數種情況：

 S_IFMT   0170000    文件類型的位遮罩S_IFSOCK 0140000    scoketS_IFLNK 0120000     符號連接S_IFREG 0100000     一般文件S_IFBLK 0060000     區塊裝置S_IFDIR 0040000     目錄S_IFCHR 0020000     字符裝置S_IFIFO 0010000     先進先出S_ISUID 04000     文件的(set user-id on execution)位S_ISGID 02000     文件的(set group-id on execution)位S_ISVTX 01000     文件的sticky位S_IRUSR(S_IREAD) 00400     文件所有者具可讀取權限S_IWUSR(S_IWRITE)00200     文件所有者具可寫入權限S_IXUSR(S_IEXEC) 00100     文件所有者具可執行權限S_IRGRP 00040             用戶組具可讀取權限S_IWGRP 00020             用戶組具可寫入權限S_IXGRP 00010             用戶組具可執行權限S_IROTH 00004             其他用戶具可讀取權限S_IWOTH 00002             其他用戶具可寫入權限S_IXOTH 00001             其他用戶具可執行權限

上述的文件類型在POSIX中定義了檢查這些類型的宏定義：

    S_ISLNK (st_mode)    判斷是否為符號連接S_ISREG (st_mode)    是否為一般文件S_ISDIR (st_mode)    是否為目錄S_ISCHR (st_mode)    是否為字符裝置文件S_ISBLK (s3e)        是否為先進先出S_ISSOCK (st_mode)   是否為socket