【Linux操作系統】舉例解釋Linux系統編程中文件io常用的函數

在Linux系統編程中，文件IO操作是非常常見和重要的操作之一。通過文件IO操作，我們可以打開、讀取、寫入和關閉文件，對文件進行定位、復制、刪除和重命名等操作。本篇博客將介紹一些常用的文件IO操作函數。

文章目錄

- 1. open()
- - 1.1 原型、參數及返回值說明
  - - 1.1.1 原型：
    - 1.1.2 參數說明：
    - 1.1.3 返回值：
  - 1.2 函數示例
  - 1.3 代碼解釋
- 2. close()
- - 2.1 原型、參數及返回值說明
  - - 2.1.1 原型：
    - 2.1.2 參數：
    - 2.1.3 返回值：
  - 2.2 函數示例
  - 2.3 代碼解釋
- 3. read()
- - 3.1 原型、參數及返回值說明
  - - 3.1.1 原型：
    - 3.1.2 參數：
    - 3.1.3 返回值：
  - 3.2 函數示例
  - 3.3 代碼解釋
- 4. write()
- - 4.1 原型、參數及返回值說明
  - - 4.1.1 原型：
    - 4.1.2 參數：
    - 4.1.3 返回值：
  - 4.2 函數示例
  - 4.3 代碼解釋
- 5. lseek()
- - 5.1 原型、參數及返回值說明
  - - 5.1.1 原型：
    - 5.1.2 參數：
    - 5.1.3 返回值：
  - 5.2 函數示例
  - 5.3 代碼解釋
- 6. stat()
- - 6.1 原型、參數及返回值說明
  - - 6.1.1 原型:
    - 6.1.2 參數：
    - 6.1.3 返回值：
  - 6.2 函數示例
  - 6.3 代碼解釋
- 7. fcntl()
- - 7.1 原型、參數及返回值說明
  - - 7.1.1 原型：
    - 7.1.2 參數：
    - 7.1.3 返回值：
  - 7.2 函數示例
  - 7.3 代碼解釋
- 總結

1. open()

1.1 原型、參數及返回值說明

1.1.1 原型：

open()函數是Linux系統編程中常用的文件IO操作函數之一。它用于打開文件并返回一個文件描述符，以便后續的文件讀寫操作。
open()函數的原型如下：

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

1.1.2 參數說明：

pathname：要打開的文件路徑名。
flags：打開文件的模式標志，可以是以下幾種模式的組合：
- O_RDONLY：只讀模式打開文件。
- O_WRONLY：只寫模式打開文件。
- O_RDWR：讀寫模式打開文件。
- O_CREAT：如果文件不存在，則創建文件。
- O_EXCL：與O_CREAT一同使用，如果文件已存在，則返回錯誤。
- O_TRUNC：如果文件存在且以可寫模式打開，則將文件截斷為0。
- O_APPEND：在文件末尾追加數據。
mode： 創建文件時的訪問權限，只有在使用O_CREAT時才有效。
可以使用如下幾個宏來設置權限：
- S_IRUSR：用戶讀權限。
- S_IWUSR：用戶寫權限。
- S_IXUSR：用戶執行權限。
- S_IRGRP：組讀權限。
- S_IWGRP：組寫權限。
- S_IXGRP：組執行權限。
- S_IROTH：其他用戶讀權限。
- S_IWOTH：其他用戶寫權限。
- S_IXOTH：其他用戶執行權限。

1.1.3 返回值：

成功：返回一個非負整數的文件描述符，用于后續的文件IO操作。
失敗：返回-1，并設置errno變量來指示錯誤類型。

1.2 函數示例

下面是一個使用open()函數的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>int main() {int fd;// 打開文件fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd == -1) {perror("open");return errno;}// 寫入數據char buffer[] = "Hello, world!";ssize_t ret = write(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (ret == -1) {perror("write");close(fd);return errno;}// 關閉文件close(fd);return 0;
}

1.3 代碼解釋

在上述示例中，我們首先使用open()函數以只寫模式打開一個文件example.txt。如果文件不存在，則創建該文件，并設置訪問權限為用戶可讀可寫。如果打開文件失敗，我們使用perror()函數打印錯誤信息，并返回errno變量。

接下來，我們使用write()函數向文件中寫入數據。在本例中，我們寫入了字符串"Hello, world!"。如果寫入數據失敗，我們同樣使用perror()函數打印錯誤信息，并在關閉文件前返回errno變量。

最后，我們使用close()函數關閉文件。

2. close()

2.1 原型、參數及返回值說明

2.1.1 原型：

close()函數是Linux系統編程中用于關閉文件的函數。它接受一個文件描述符作為參數，并返回一個整數值來指示操作是否成功。

close()函數的原型如下：

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

2.1.2 參數：

fd：要關閉的文件描述符。

2.1.3 返回值：

成功：返回0。
失敗：返回-1，并設置errno變量來指示錯誤類型。

2.2 函數示例

下面是一個使用close()函數的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd;// 打開文件fd = open("example.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open");return errno;}// 關閉文件int ret = close(fd);if (ret == -1) {perror("close");return errno;}return 0;
}

2.3 代碼解釋

在上述示例中，我們首先使用open()函數以只讀模式打開一個文件example.txt，并將返回的文件描述符存儲在變量fd中。如果打開文件失敗，我們使用perror()函數打印錯誤信息，并返回errno變量。

接下來，我們使用close()函數關閉文件。如果關閉文件失敗，我們同樣使用perror()函數打印錯誤信息，并返回errno變量。

需要注意的是，關閉文件后，我們不應再對該文件描述符進行任何操作。

3. read()

3.1 原型、參數及返回值說明

3.1.1 原型：

read()函數是Linux系統編程中用于從文件中讀取數據的函數。它接受一個文件描述符、一個緩沖區地址和一個讀取的最大字節數作為參數，并返回實際讀取的字節數。

read()函數的原型如下：

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

3.1.2 參數：

fd：要讀取的文件的文件描述符。
buf：用于存儲讀取數據的緩沖區的地址。
count：要讀取的最大字節數。

3.1.3 返回值：

成功：返回實際讀取的字節數。
失敗：返回-1，并設置errno變量來指示錯誤類型。

3.2 函數示例

下面是一個使用read()函數的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd;// 打開文件fd = open("example.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open");return errno;}// 讀取數據char buffer[100];ssize_t ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer));if (ret == -1) {perror("read");close(fd);return errno;}// 輸出讀取的數據printf("Read %ld bytes: %s\n", ret, buffer);// 關閉文件close(fd);return 0;
}

3.3 代碼解釋

接下來，我們使用read()函數從文件中讀取數據。我們定義一個長度為100的緩沖區buffer，并將其作為參數傳遞給read()函數。read()函數將盡量讀取count個字節的數據，并將其存儲在緩沖區中。如果讀取數據失敗，我們同樣使用perror()函數打印錯誤信息，并在關閉文件前返回errno變量。

最后，我們使用printf()函數輸出讀取的數據，并使用close()函數關閉文件。

需要注意的是，read()函數是一個阻塞函數，如果文件中沒有足夠的數據可讀，它將一直等待直到有足夠的數據可讀或者發生錯誤。如果需要非阻塞地讀取數據，可以使用fcntl()函數設置文件描述符為非阻塞模式。

4. write()

4.1 原型、參數及返回值說明

4.1.1 原型：

write()函數是Linux系統編程中用于向文件中寫入數據的函數。它接受一個文件描述符、一個數據緩沖區地址和要寫入的字節數作為參數，并返回實際寫入的字節數。

write()函數的原型如下：

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

4.1.2 參數：

fd：要寫入的文件的文件描述符。
buf：要寫入的數據的緩沖區的地址。
count：要寫入的字節數。

4.1.3 返回值：

成功：返回實際寫入的字節數。
失敗：返回-1，并設置errno變量來指示錯誤類型。

4.2 函數示例

下面是一個使用write()函數的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd;// 打開文件fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd == -1) {perror("open");return errno;}// 寫入數據char buffer[] = "Hello, World!";ssize_t ret = write(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (ret == -1) {perror("write");close(fd);return errno;}// 關閉文件close(fd);return 0;
}

4.3 代碼解釋

在上述示例中，我們首先使用open()函數以只寫模式打開一個文件example.txt，并將返回的文件描述符存儲在變量fd中。如果打開文件失敗，我們使用perror()函數打印錯誤信息，并返回errno變量。

接下來，我們使用write()函數將數據寫入文件中。我們定義一個字符串buffer，并將其作為參數傳遞給write()函數。write()函數將盡量寫入count個字節的數據到文件中。如果寫入數據失敗，我們同樣使用perror()函數打印錯誤信息，并在關閉文件前返回errno變量。

最后，我們使用close()函數關閉文件。

需要注意的是，write()函數是一個阻塞函數，如果文件無法立即接受寫入的數據（例如，磁盤空間不足），它將一直等待直到可以寫入數據或者發生錯誤。如果需要非阻塞地寫入數據，可以使用fcntl()函數設置文件描述符為非阻塞模式。

5. lseek()

5.1 原型、參數及返回值說明

5.1.1 原型：

lseek()函數是Linux系統編程中用于在文件中定位讀寫位置的函數。它接受一個文件描述符、一個偏移量和一個起始位置作為參數，并返回新的讀寫位置。

lseek()函數的原型如下：

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

5.1.2 參數：

fd：要定位的文件的文件描述符。
offset：偏移量，可以是正數、負數或零。
whence：起始位置，可以取以下三個值：
- SEEK_SET：從文件開頭開始計算偏移量。
- SEEK_CUR：從當前讀寫位置開始計算偏移量。
- SEEK_END：從文件末尾開始計算偏移量。

5.1.3 返回值：

成功：返回新的讀寫位置。
失敗：返回-1，并設置errno變量來指示錯誤類型。

5.2 函數示例

下面是一個使用lseek()函數的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd;// 打開文件fd = open("example.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open");return errno;}// 定位讀寫位置off_t ret = lseek(fd, 5, SEEK_SET);if (ret == -1) {perror("lseek");close(fd);return errno;}// 讀取數據char buffer[10];ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n == -1) {perror("read");close(fd);return errno;}buffer[n] = '\0';printf("Data: %s\n", buffer);// 關閉文件close(fd);return 0;
}

5.3 代碼解釋

接下來，我們使用lseek()函數將讀寫位置定位到文件開頭后的第5個字節。我們將文件描述符、偏移量和起始位置作為參數傳遞給lseek()函數。如果定位讀寫位置失敗，我們同樣使用perror()函數打印錯誤信息，并在關閉文件前返回errno變量。

然后，我們使用read()函數從文件中讀取數據。我們定義一個緩沖區buffer，并將其作為參數傳遞給read()函數。read()函數將盡量讀取count個字節的數據到緩沖區中。如果讀取數據失敗，我們同樣使用perror()函數打印錯誤信息，并在關閉文件前返回errno變量。最后，我們在緩沖區末尾添加一個空字符，并使用printf()函數打印讀取到的數據。

最后，我們使用close()函數關閉文件。

需要注意的是，lseek()函數可以用于定位讀寫位置，但并不會改變文件的大小。如果需要改變文件的大小，可以使用truncate()函數或ftruncate()函數。

6. stat()

6.1 原型、參數及返回值說明

6.1.1 原型:

stat()函數是Linux系統編程中用于獲取文件信息的函數。它接受一個文件路徑作為參數，并返回一個包含文件信息的結構體。

stat()函數的原型如下：

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

6.1.2 參數：

pathname：要獲取信息的文件路徑。
buf：用于存儲文件信息的結構體指針。

6.1.3 返回值：

成功：返回0。
失敗：返回-1，并設置errno變量來指示錯誤類型。

struct stat結構體包含了文件的各種信息，包括文件類型、權限、大小、創建時間、修改時間等。

下面是struct stat結構體的定義：

struct stat {dev_t     st_dev;         // 文件所在設備的IDino_t     st_ino;         // 文件的inode號mode_t    st_mode;        // 文件的類型和權限nlink_t   st_nlink;       // 文件的硬鏈接數uid_t     st_uid;         // 文件的所有者IDgid_t     st_gid;         // 文件的所有者組IDdev_t     st_rdev;        // 如果文件是設備文件，則為設備的IDoff_t     st_size;        // 文件的大小（字節）blksize_t st_blksize;     // 文件系統的塊大小blkcnt_t  st_blocks;      // 分配給文件的塊數time_t    st_atime;       // 文件的最后訪問時間time_t    st_mtime;       // 文件的最后修改時間time_t    st_ctime;       // 文件的最后狀態改變時間
};

6.2 函數示例

下面是一個使用stat()函數的示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>int main() {const char *pathname = "example.txt";struct stat file_info;// 獲取文件信息int ret = stat(pathname, &file_info);if (ret == -1) {perror("stat");return errno;}// 打印文件信息printf("File Size: %ld bytes\n", file_info.st_size);printf("File Permissions: %o\n", file_info.st_mode & 0777);printf("File Owner UID: %d\n", file_info.st_uid);printf("File Owner GID: %d\n", file_info.st_gid);return 0;
}

6.3 代碼解釋

在上述示例中，我們首先定義了一個文件路徑pathname和一個struct stat結構體file_info，用于存儲獲取到的文件信息。

然后，我們使用stat()函數將文件信息存儲到file_info結構體中。我們將文件路徑和file_info結構體指針作為參數傳遞給stat()函數。如果獲取文件信息失敗，我們使用perror()函數打印錯誤信息，并返回errno變量。

最后，我們使用printf()函數打印獲取到的文件信息，包括文件大小、文件權限、文件所有者的UID和GID等。

需要注意的是，stat()函數只能獲取文件的信息，而不能修改文件的信息。如果需要修改文件的信息，可以使用chmod()函數來修改文件的權限。

7. fcntl()

7.1 原型、參數及返回值說明

7.1.1 原型：

fcntl()函數是Linux系統編程中用于對文件描述符進行控制操作的函數。它可以用于設置文件狀態標志、獲取文件狀態標志、設置文件鎖等。

fcntl()函數的原型如下：

#include <fcntl.h>int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

7.1.2 參數：

fd：文件描述符，可以是打開文件的文件描述符，也可以是套接字的文件描述符。
cmd：控制命令，用于指定要執行的操作。
arg：可選參數，用于傳遞特定操作的參數。

7.1.3 返回值：

成功：根據不同的操作命令返回不同的值，一般為0或一個正整數。
失敗：返回-1，并設置errno變量來指示錯誤類型。

下面是fcntl()函數的一些常用命令:

F_DUPFD：復制文件描述符，創建一個新的文件描述符，該描述符與原始描述符指向相同的打開文件。
F_GETFD：獲取文件描述符的文件狀態標志。
F_SETFD：設置文件描述符的文件狀態標志。
F_GETFL：獲取文件的打開方式和狀態標志。
F_SETFL：設置文件的打開方式和狀態標志。
F_GETLK：獲取文件鎖的信息。
F_SETLK：設置文件鎖。
F_SETLKW：設置文件鎖，如果無法獲取鎖，則阻塞等待。

7.2 函數示例

下面是一個使用fcntl()函數的示例：

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDWR);if (fd == -1) {perror("open");return errno;}// 獲取文件的打開方式和狀態標志int flags = fcntl(fd, F_GETFL);if (flags == -1) {perror("fcntl");return errno;}// 設置文件的狀態標志為非阻塞flags |= O_NONBLOCK;int ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);if (ret == -1) {perror("fcntl");return errno;}// 關閉文件描述符close(fd);return 0;
}

7.3 代碼解釋

在上述示例中，我們首先使用open()函數打開一個文件，并將返回的文件描述符存儲在變量fd中。如果打開文件失敗，我們使用perror()函數打印錯誤信息，并返回errno變量。

然后，我們使用fcntl()函數獲取文件的打開方式和狀態標志。將文件描述符和F_GETFL命令作為參數傳遞給fcntl()函數，獲取到的文件狀態標志存儲在變量flags中。如果獲取文件狀態標志失敗，我們同樣使用perror()函數打印錯誤信息，并返回errno變量。

接下來，我們將文件的狀態標志設置為非阻塞，通過將O_NONBLOCK標志位與flags進行按位或操作。然后，我們使用fcntl()函數將修改后的狀態標志設置回文件描述符。將文件描述符、F_SETFL命令和修改后的狀態標志作為參數傳遞給fcntl()函數。如果設置文件狀態標志失敗，我們同樣使用perror()函數打印錯誤信息，并返回errno變量。

最后，我們使用close()函數關閉文件描述符，釋放資源。

需要注意的是，fcntl()函數的使用非常靈活，可以根據需要進行各種操作，如復制文件描述符、獲取文件鎖等。在使用fcntl()函數時，需要注意錯誤處理，并確保文件描述符的有效性。同時，需要在不再需要使用文件描述符時及時關閉文件描述符，以釋放資源并避免資源泄漏。

總結

文件IO操作是Linux系統編程中的重要部分。通過open()、close()、read()、write()等函數，我們可以對文件進行打開、讀取和寫入操作。通過lseek()函數，我們可以在文件中進行定位。而通過stat()、fcntl()、dup()等函數，我們可以獲取文件的狀態信息，對文件描述符進行控制操作，復制文件描述符等。

除了上述的函數，還有許多其他的函數可以用于文件IO操作，如mkdir()用于創建目錄，rmdir()用于刪除目錄，unlink()用于刪除文件，rename()用于重命名文件等。