嵌入式 Linux 学习笔记（04）：文件 IO 与系统调用

📚 本文是《嵌入式 Linux 应用开发学习笔记》系列第 04 / 7 篇：文件 IO 与系统调用。返回系列目录。

第4章文件IO

Linux一切皆文件，因此文件IO非常重要

Linux查看函数指令man

4.1文件IO分类

Linux上有两套函数：标准IO、系统调用IO

标准 IO 的相关函数是：fopen/fread/fwrite/fseek/fflush/fclose
系统调用 IO的相关函数是：open/read/write/lseek/fsync/close

两套接口来源：

系统调用IO是用户程序利用posix接口兼容访问Linux、Unix、Unix-like操作系统的功能，用于直接访问内核。

标准IO是C库的，但是为了兼容Windows用系统调用IO重新封装了。

标准IO引入了一个用户buffer。

读数据的话就读一个大数据在buffer，后续对其读取就在buffer里读，但是系统调用IO就必须多次向内核申请

4.2函数原型

4.2.1open()

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

打开或创建一个文件

pathname：文件路径名或文件名

flags：打开方式和状态标志，通过位或操作

mode：仅当flags包含O_CREAT或 O_TMPFILE 时才需要提供，指定文件权限，指定方式同chmod

宏	含义
访问模式（三选一）
`O_RDONLY`	只读
`O_WRONLY`	只写
`O_RDWR`	读写
创建与控制
`O_CREAT`	若文件不存在则创建，需提供 `mode`
`O_EXCL`	与 `O_CREAT` 合用，文件已存在时报错
`O_TRUNC`	打开时把文件截断为 0
追加/非阻塞/同步
`O_APPEND`	每次写都追加到文件尾
`O_NONBLOCK` / `O_NDELAY`	非阻塞模式
`O_SYNC`	每次写都等待物理 I/O 完成
`O_DSYNC`	仅同步数据，不含元数据
`O_DIRECT`	绕过页缓存，直接用户缓冲到磁盘
`O_CLOEXEC`	在执行 `execve` 时自动关闭 fd（防泄漏）

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//open
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
//close
#include <unistd.h>

/*
 * ./open 1.txt
 * argc    = 2
 * argv[0] = "./open"
 * argv[1] = "1.txt"
 */

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <file>\n", argv[0]);
        return -1;
    }
	//打开文件,若不存在则创建，且创建时截断，权限设为0777
    fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT|TRUNC,0777);
    if (fd < 0)
    {
        printf("can not open file %s\n", argv[1]);
        printf("errno = %d\n", errno);
        printf("err: %s\n", strerror(errno));
        perror("open");
    }
    else
    {
        printf("fd = %d\n", fd);
    }

    while (1)
    {
        sleep(10);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

4.2.2write()

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

fd：指定要写入的文件描述符

buf：缓冲区，一般是一个数组，该数组的内容写入文件

count：要写入的实际字符数

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#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
    int fd;
    int i;
    int len;
    fd = open(argv[1],O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC,0777);
    if (fd < 0)
    {
        printf("can not open file %s\n", argv[1]);
        printf("errno = %d\n", errno);
        printf("err: %s\n", strerror(errno));
        perror("open");
    }
    else
    {
        printf("fd = %d\n", fd);
    }
    for (i = 2; i < argc; i++) {
        len = write(fd,argv[i],strlen(argv[i]));
        if (len != strlen(argv[i]))
        {
            perror("write");
            break;
        }
        write(fd,"\r\n",2);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

4.2.3read()

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

作用：从给定的文件描述符指定的文件中，读取 count 个字节的数据，存放至 buf 中。

fd：指定要读写的文件描述符

buf：缓冲区，一般是一个数组，用于存放读取的内容

count：一次要读取的最大字节数

4.2.4lseek()

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

fd：指定要偏移的文件描述符

offset：文件偏移量

whence：开始添加偏移 offset 的位置

SEEK_SET，offset 相对于文件开头进行偏移

SEEK_CUR，offset 相对文件当前位置进行偏移

SEEK_END，offset 相对于文件末尾进行偏移

4.2.5read()

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

作用：从给定的文件描述符指定的文件中，读取 count 个字节的数

据，存放至 buf 中。

fd：指定要读写的文件描述符

buf：缓冲区，一般是一个数组，用于存放读取的内容

count：一次要读取的最大字节数

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

int main(int argc,char **argv)
{
    int len;
    int i;
    unsigned char buf[100];
    int fd = open(argv[1],O_RDONLY,0777);
    while(1)
    {
        len = read(fd,buf,sizeof(buf)-1);
        if(len==0) break; //表示读到结尾了
        buf[len] = '\0';
        printf("%s",buf);
    }
    close(fd);
}

4.4内部机制

用户空间应用层调用glibc给出的系统调用接口

这些系统调用接口会触发异常引入内核
比如触发异常：swi/svc，并异常原因事先记录在某处
cpu发现异常后会调用内核提供的异常处理函数
他会进行分辨原因/处理异常
然后继续做自己的事

如SYSCALL_DEFINE为系统调用定义，3为参数个数

这个宏定义出这个函数

int sys_open(const char __user * filename,int flags,umode_t mode)

整体流程

即用户调用glibc的接口函数，接口函数触发异常，同时把异常原因记录在某些寄存器里面，cpu捕获到异常，根据异常的原因来调用对应的函数

每个进程有自己的文件句柄空间

fd=3，是xx进程里fd=3的文件