Linux系统编程(2)文件IO

月仁不吃五饼

Linux系统编程(2)文件IO

最基本的文件访问方法是系统调用read()和write()。但是，在访问文件之前，必须先通过open()或creat()打开该文件。一旦完成文件读写，还应该调用系统调用close()关闭该文件。
大致流程如下

open/create->read/write->close

open系统调用

open系统调用整个流程如下：

┌──────────────┐
│  Your Code   │
│  open(...)   │
└──────┬───────┘
       ▼
┌──────────────────┐
│ glibc (libc.so)  │   ← 用户态库
│ open() wrapper   │
└──────┬───────────┘
       ▼
┌──────────────────┐
│ syscall entry    │   ← 用户态 / 内核态边界
│ SYS_openat       │
└──────┬───────────┘
       ▼
┌──────────────────┐
│ Linux Kernel     │
│ sys_openat()     │
└──────────────────┘

而在使用上，我们需要先包含下述头文件

#include <unistd.h>    // read, write, close, lseek
#include <fcntl.h>     // open, O_RDONLY/O_CREAT/... flags
#include <sys/stat.h>  // mode_t, 权限位 S_IRUSR 等（创建文件常用）
#include <sys/types.h> // ssize_t, off_t 等（有时可省，现代系统常被间接包含）

通过系统调用open()，可以打开文件并获取其文件描述符：
open系统调用有两个函数签名

int open(const char *name, int flags);
int open(const char *name, int flags, mode_t mode);

它们的区别是 第三个参数 mode 要不要传（后面补充这第三个参数的作用）

open的返回值是文件描述符，linux下一切皆文件,如果返回-1代表发生错误

open()的flags参数

flags参数是由一个或多个标志位的按位或组合。它支持三种访问模式：O_RDONLY、O_WRONLY或O_RDWR，（其实是单词的缩写，不用死记硬背）这三种模式分别表示以只读、只写或读写模式打开文件。
举个例子，以下代码以只读模式打开文件/home/kidd/madagascar：

int fd =open("/home/kidd/madagascar",O_RDONLY);
if(fd==-1){
//这里是错误处理，要养成好习惯，随手处理错误
}

使用open打开文件之后，我们就获得了这个文件的句柄。用这个句柄就可以对这个文件施加操作了，但是要尤为注意的是，对这个文件能够施加怎样的操作，取决于打开方式，即flags的参数。
那么问题来了，如果文件不存在怎么办？ 这就涉及到flags其他可选参数：

1) 创建/覆盖类

O_CREAT：文件不存在就创建（这时必须提供第三个参数 mode）
```
open("a.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
```
O_EXCL：配合 O_CREAT 使用；如果文件已存在则失败（避免覆盖）
当和标志位O_CREAT一起使用时，如果参数name指定的文件已经存在，会导致open()调用失败。用于防止创建文件时出现竞争。如何没有和标志位O_CREAT一起使用，该标志位就没有任何含义。

open("a.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_EXCL, 0644); // 存在则报 EEXIST

上面涉及到O_CREAT的操作就需要第三个参数了0644，这个参数的意义如下：

0 6 4 4
  ↑ ↑ ↑
  │ │ └─ 其他用户 (other)
  │ └── 同组用户 (group)
  └──── 文件所有者 (owner)

0644 的三位分别代表谁？

权限格式是：

[ owner ][ group ][ other ]

每一位是 0~7 的八进制数：

数字二进制含义
4 100 读 (r)
2 010 写 (w)
1 001 执行 (x)
所以0644代表：文件所有者rw权限，同组用户和其他用户有r权限
使用O_CREAT必须使用第三个权限参数

O_TRUNC：文件已存在且以写方式打开时，把文件长度截断为 0（清空重写）

open("a.txt", O_WRONLY | O_TRUNC);

2) 追加/定位类

O_APPEND：每次 write 都追加到文件末尾（内核保证追加定位的原子性）

open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644);

3) 阻塞行为/同步类

O_NONBLOCK：非阻塞 I/O（对 pipe/终端/socket 影响大，对普通磁盘文件通常意义不大，后面需要时再讲）

open("/dev/tty", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
O_SYNC：更强的同步写语义（write 返回前尽量保证数据落到存储设备，性能会下降）
O_DSYNC：只保证数据（不强制元数据）同步（比 O_SYNC 轻一些）
O_RSYNC: O_RSYNC标志位指定读请求和写请求之间的同步。该标志位必须和O_SYNC或O_DSYNC一起使用。
O_LARGEFILE
文件偏移使用64位整数表示，可以支持大于2GB的文件。64位操作系统中打开文件时，默认使用该参数。

fd = open("a.txt",O_LARGEFILE | O_RDONLY);

4) 安全/继承类

O_CLOEXEC：执行 exec() 时自动关闭该 fd，防止泄漏到子进程

open("a.txt", O_RDONLY | O_CLOEXEC);
（close execute的缩写）

5) 其他你可能会见到的

O_NOCTTY：打开终端设备时不把它变成进程的控制终端
O_NOFOLLOW：不跟随符号链接（用于安全场景，避免被 symlink 攻击）

由前面的例子可以明白，这些参数都是位操作符
是可以做｜运算把不同操作拼接在一起的

小练习

只读打开

int fd=open("a.txt",O_RDONLY);
if(fd==-1){
  perror("open");
}

覆盖写（不存在就创建，存在就清空）

int fd =open("a.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0644);
if(fd==-1){
  perror("open");
}

追加写日志

int fd=open("a.txt",O_WRONLY | O_APPEND |O_CREAT,0644);
if(fd==-1){
    perror("open");
}

只允许“新建”，不允许覆盖

int fd=open("a.txt",O_WRONLY |O_CREAT |O_EXCL,0644);

这里额外讲一下，其实是有creat()系统调用的，但是用起来方便，支持的操作也比较少，一般用open就可以
creat函数签名

#include <fcntl.h>  
int creat(const char *pathname, mode_t mode);

sunrisepeak

感觉可以把这个系列整理成一个GitHub 仓库包含文档和对应的练习或演示代码
让读者上手实操/改改东西用 strace 等一些工具追一追系统调用观察真实机器上的效果之类的
体验感应该能增强不少

月仁不吃五饼

@sunrisepeak 在 Linux系统编程(2)文件IO 中说：

感觉可以把这个系列整理成一个GitHub 仓库包含文档和对应的练习或演示代码
让读者上手实操/改改东西用 strace 等一些工具追一追系统调用观察真实机器上的效果之类的
体验感应该能增强不少

时间比较少，有空可以整理一下

D2Learn Forums

Linux系统编程(2)文件IO

Linux系统编程(2)文件IO

open系统调用

open()的flags参数

1) 创建/覆盖类

2) 追加/定位类

3) 阻塞行为/同步类

4) 安全/继承类

5) 其他你可能会见到的

小练习