嵌入式linux_C应用学习之API函数

1.文件IO

1.1 open打开文件

#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);
  • pathname：字符串类型，用于标识需要打开或创建的文件，可以包含路径信息，如：“./src_file”、"/home/dengtao/hello.c"等；如果 pathname 是一个符号链接，会对其进行解引用。
  • flags：调用 open 函数时需要提供的标志，包括文件访问模式标志以及其它文件相关标志，如O_RDONLY，O_CREAT，O_RDWR，O_RDWR，O_EXCL，O_NOFOLLOW
  • mode：此参数用于指定新建文件的访问权限，只有当 flags 参数中包含 O_CREAT 或 O_TMPFILE 标志时才有效（O_TMPFILE 标志用于创建一个临时文件）如：S_IRUSR 允许文件所属者读文件，S_IWUSR 允许文件所属者写文件，S_IXUSR 允许文件所属者执行文件
  • 使用：
int fd = open("/home/dengtao/hello", O_RDWR | O_CREAT, S_IRWXU | S_IRGRP | S_IROTH);
if (-1 == fd)//使用 open 函数打开一个指定的文件，如果该文件不存在则创建该文件，
return fd;int fd = open("./app.c", O_RDWR)//使用 open 函数打开一个已经存在的文件（例如当前目录下的 app.c 文件），使用可读可写方式打开
if (-1 == fd)
return fd;

1.2 write写文件

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

调用 write 函数可向打开的文件写入数据

  • fd：文件描述符。关于文件描述符，前面已经给大家进行了简单地讲解，这里不再重述！我们需要将进行写操作的文件所对应的文件描述符传递给 write 函数。
  • buf：指定写入数据对应的缓冲区。
  • count：指定写入的字节数。
  • 返回值：如果成功将返回写入的字节数（0 表示未写入任何字节），如果此数字小于 count 参数，这不是错误，譬如磁盘空间已满，可能会发生这种情况；如果写入出错，则返回-1。

1.3 read 读文件

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • 返回值：如果读取成功将返回读取到的字节数，实际读取到的字节数可能会小于 count 参数指定的字节数，也有可能会为 0

1.4 close 关闭文件

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

1.5 lseek

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
  • whence：用于定义参数 offset 偏移量对应的参考值，该参数为下列其中一种（宏定义）：
    ⚫ SEEK_SET：读写偏移量将指向 offset 字节位置处（从文件头部开始算）；

⚫ SEEK_CUR：读写偏移量将指向当前位置偏移量 + offset 字节位置处，offset 可以为正、也可以为负，如果是正数表示往后偏移，如果是负数则表示往前偏移；
⚫ SEEK_END：读写偏移量将指向文件末尾 + offset 字节位置处，同样 offset 可以为正、也可以为负，如果是正数表示往后偏移、如果是负数则表示往前偏移。

  • 返回值：成功将返回从文件头部开始算起的位置偏移量（字节为单位），也就是当前的读写位置；发生错误将返回-1。

使用示例

off_t off = lseek(fd, 0, SEEK_SET);//将读写位置移动到文件开头处：
off_t off = lseek(fd, 0, SEEK_END);//将读写位置移动到文件末尾：
off_t off = lseek(fd, 100, SEEK_SET);//将读写位置移动到偏移文件开头 100 个字节处：
off_t off = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);//获取当前读写位置偏移量：

1.6 strerror函数

  • 前面说到了 errno 变量仅仅只是一个错误编号，还需要对比源码中对此编号的错误定义。strerror()函数可以将对应的 errno 转换成适合我们查看的字符串信息，其函数原型如下所示（可通过"man 3 strerror"命令查看，注意此函数是 C 库函数，并不是系统调用）：
#include <string.h>
char *strerror(int errnum);
  • errnum：错误编号 errno。
  • 返回值：对应错误编号的字符串描述信息。
    使用：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main(void)
{int fd;/* 打开文件 */fd = open("./test_file", O_RDONLY);if (-1 == fd) {printf("Error: %s\n", strerror(errno));return -1;}close(fd);return 0;
}
/*
运行结果：Error:No such file or dictory
*/

1.7 perror函数

  • 除了 strerror 函数之外，还可以使用 perror 函数来查看错误信息，调用此函数不需要传入 errno，函数内部会自己去获取 errno 变量的值，调用此函数会直接将错误提示字符串打印出来，而不是返回字符串，除此之外还可以在输出的错误提示字符串之前加入自己的打印信息，函数原型如下所示（可通过"man 3 perror"命令查看）：
#include <stdio.h>
void perror(const char *s);
  • s：在错误提示字符串信息之前，可加入自己的打印信息，也可不加，不加则传入空字符串即可。
    使用：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{int fd;/* 打开文件 */fd = open("./test_file", O_RDONLY);if (-1 == fd) {perror("open error");return -1;}close(fd);return 0;
}
/*
运行结果：open error: No such file or dictory
*/

1.8 _exit()和_Exit()函数

  • main 函数中使用 return 后返回，return 执行后把控制权交给调用函数，结束该进程。调用_exit()函数会清除其使用的内存空间，并销毁其在内核中的各种数据结构，关闭进程的所有文件描述符，并结束进程、将控制权交给操作系统。_exit()函数原型如下所示：
#include <unistd.h>
void _exit(int status);
#include <stdlib.h>
void _Exit(int status);
  • 调用函数需要传入 status 状态标志，0 表示正常结束、若为其它值则表示程序执行过程中检测到有错误发生。_exit()和_Exit()两者等价，用法作用是一样的,使用示例如下：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{int fd;/* 打开文件 */fd = open("./test_file", O_RDONLY);if (-1 == fd) {perror("open error");_exit(-1);}close(fd);_exit(0);
}

1.9 exit()函数

exit()函数_exit()函数都是用来终止进程的，exit()是一个标准 C 库函数，而_exit()和_Exit()是系统调用。执行 exit()会执行一些清理工作，最后调用_exit()函数。该函数是一个标准 C 库函数，该函数的用法和_exit()/_Exit()是一样的,exit()函数原型如下：

#include <stdlib.h>
void exit(int status);

1.10 空洞文件

  • 文件如果只有400kb,使用lseek便宜600K开始写也能正常运行，400到600之间就属于文件空洞，改文件叫做空洞文件。但是文件显示的大小是总的大小如620k,如迅雷多线程下载文件时，还未下载成功就占用的全部文件大小，就是在分段下载，其中就是出现文件空洞。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)//新建一个文件把它做成空洞文件
{int fd,ret,i;char buffer[1024];c/* 打开文件 */fd = open("./hole_file", O_WRONLY | O_CREAT | O_EXCL, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP |S_IROTH);if (-1 == fd) {perror("open error");exit(-1);}/* 将文件读写位置移动到偏移文件头 4096 个字节(4K)处 */ret = lseek(fd, 4096, SEEK_SET);if (-1 == ret) {perror("lseek error");goto err;}/* 初始化 buffer 为 0xFF */memset(buffer, 0xFF, sizeof(buffer));/* 循环写入 4 次，每次写入 1K */for (i = 0; i < 4; i++) {ret = write(fd, buffer, sizeof(buffer));if (-1 == ret) {perror("write error");goto err;}}ret = 0;err:/* 关闭文件 */close(fd);exit(ret);
}
/*
示例代码中，我们使用 open 函数新建了一个文件 hole_file，在 Linux 系统中，新建文件大小是 0，也就是没有任何数据写入，此时使用lseek函数将读写偏移量移动到4K字节处，再使用write函数写入数据0xFF，每次写入 1K，一共写入 4 次，也就是写入了 4K 数据，也就意味着该文件前 4K 是文件空洞部分，而后 4K数据才是真正写入的数据。
*/

使用 ls 命令查看到空洞文件的大小是 8K，使用 ls 命令查看到的大小是文件的逻辑大小，自然是包括了空洞部分大小和真实数据部分大小；当使用 du 命令查看空洞文件时，其大小显示为 4K，du 命令查看到的大小是文件实际占用存储块的大小。
在这里插入图片描述

1.11 O_TRUNC、O_APPEND标志

  • O_TRUNC 这个标志的作用非常简单，如果使用了这个标志，调用 open 函数打开文件的时候会将文件原本的内容全部丢弃，文件大小变为 0。
  • 使用：fd = open(“./test_file”, O_WRONLY | O_TRUNC);
  • 如果 open 函数携带了 O_APPEND 标志，调用 open 函数打开文件，当每次使用 write()函数对文件进行写操作时，都会自动把文件当前位置偏移量移动到文件末尾，从文件末尾开始写入数据，也就是意味着每次写入数据都是从文件末尾开始。
  • 使用：fd = open(“./test_file”, O_RDWR | O_APPEND);

1.12 复制文件描述符

  • 在 Linux 系统中，open 返回得到的文件描述符 fd 可以进行复制，复制成功之后可以得到一个新的文件描述符，使用新的文件描述符和旧的文件描述符都可以对文件进行 IO 操作，复制得到的文件描述符和旧的文件描述符拥有相同的权限，譬如使用旧的文件描述符对文件有读写权限，那么新的文件描述符同样也具有读写权限；在 Linux 系统下，可以使用 dup 或 dup2 这两个系统调用对文件描述符进行复制。
  • dup 函数用于复制文件描述符，此函数原型如下所示（可通过"man 2 dup"命令查看）：
#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);
  • oldfd：需要被复制的文件描述符。
  • 返回值：成功时将返回一个新的文件描述符，由操作系统分配，分配置原则遵循文件描述符分配原则；如果复制失败将返回-1，并且会设置 errno 值。
  • *由前面的介绍可知，复制得到的文件描述符与原文件描述符都指向同一个文件表，所以它们的文件读写偏移量是一样的，那么是不是可以在不使用O_APPEND标志的情况下，通过文件描述符复制来实现接续写，接下来我们编写一个程序进行测试:
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main(void)
{unsigned char buffer1[4], buffer2[4];int fd1, fd2,ret,i;/* 创建新文件 test_file 并打开 */fd1 = open("./test_file", O_RDWR | O_CREAT | O_EXCL,S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH);if (-1 == fd1) {perror("open error");exit(-1);}/* 复制文件描述符 */fd2 = dup(fd1);if (-1 == fd2) {perror("dup error");ret = -1;goto err1;}printf("fd1: %d\nfd2: %d\n", fd1, fd2);/* buffer 数据初始化 */buffer1[0] = 0x11;buffer1[1] = 0x22;buffer1[2] = 0x33;buffer1[3] = 0x44;buffer2[0] = 0xAA;buffer2[1] = 0xBB;buffer2[2] = 0xCC;buffer2[3] = 0xDD;/* 循环写入数据 */for (i = 0; i < 4; i++) {ret = write(fd1, buffer1, sizeof(buffer1));if (-1 == ret) {perror("write error");goto err2;}ret = write(fd2, buffer2, sizeof(buffer2));if (-1 == ret) {perror("write error");goto err2; }}/* 将读写位置偏移量移动到文件头 */ret = lseek(fd1, 0, SEEK_SET);if (-1 == ret) {perror("lseek error");goto err2;}/* 读取数据 */for (i = 0; i < 8; i++) {ret = read(fd1, buffer1, sizeof(buffer1));if (-1 == ret) {perror("read error");goto err2;}printf("%x%x%x%x", buffer1[0], buffer1[1],buffer1[2], buffer1[3]);}printf("\n");ret = 0;
err2:close(fd2);
err1:/* 关闭文件 */close(fd1);exit(ret);
}
/*
运行结果：由打印信息可知，fd1 等于 6，复制得到的新的文件描述符为 7（遵循 fd 分配原则），打印出来的数据显示为接续写，所以可知，通过复制文件描述符可以实现接续写
*/
  • dup 系统调用分配的文件描述符是由系统分配的，遵循文件描述符分配原则，并不能自己指定一个文件描述符，这是 dup 系统调用的一个缺陷；而 dup2 系统调用修复了这个缺陷，可以手动指定文件描述符，而不需要遵循文件描述符分配原则，当然在实际的编程工作中，需要根据自己的情况来进行选择。dup2 函数原型如下所示（可以通过"man 2 dup2"命令查看）：
#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

1.13 原子操作：pread()、 pwrite()

  • pread()和 pwrite()都是系统调用，与 read()、write()函数的作用一样，用于读取和写入数据。区别在于，pread()和 pwrite()可用于实现原子操作，调用 pread 函数或 pwrite 函数可传入一个位置偏移量 offset 参数，用于指定文件当前读或写的位置偏移量，所以调用 pread 相当于调用 lseek 后再调用 read；同理，调用 pwrite相当于调用 lseek 后再调用 write。所以可知，使用 pread 或 pwrite 函数不需要使用 lseek 来调整当前位置偏移量，并会将“移动当前位置偏移量、读或写”这两步操作组成一个原子操作。pread、pwrite 函数原型如下所示（可通过"man 2 pread"或"man 2 pwrite"命令来查看）：
#include <unistd.h>
ssize_t pread(int fd, void *buf, size_t count, off_t offset);
ssize_t pwrite(int fd, const void *buf, size_t count, off_t offset);
  • fd、buf、count 参数与 read 或 write 函数意义相同。
  • offset：表示当前需要进行读或写的位置偏移量。
  • 返回值：返回值与 read、write 函数返回值意义一样。
  • 虽然 pread（或 pwrite）函数相当于 lseek 与 pread（或 pwrite）函数的集合，但还是有下列区别：
    ⚫ 调用 pread 函数时，无法中断其定位和读操作（也就是原子操作）；
    ⚫ 不更新文件表中的当前位置偏移量。

1.14 fcntl和ioctl函数

*fcntl()函数可以对一个已经打开的文件描述符执行一系列控制操作，譬如复制一个文件描述符（与 dup、dup2 作用相同）、获取/设置文件描述符标志、获取/设置文件状态标志等，类似于一个多功能文件描述符管理工具箱。fcntl()函数原型如下所示（可通过"man 2 fcntl"命令查看）：

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

fd：文件描述符。
cmd：操作命令。此参数表示我们将要对 fd 进行什么操作，cmd 参数支持很多操作命令，大家可以打
开 man 手册查看到这些操作命令的详细介绍，这些命令都是以 F_XXX 开头的，譬如 F_DUPFD、F_GETFD、F_SETFD 等，不同的 cmd 具有不同的作用，cmd 操作命令大致可以分为以下 5 种功能：
⚫ 复制文件描述符（cmd=F_DUPFD 或 cmd=F_DUPFD_CLOEXEC）；
⚫ 获取/设置文件描述符标志（cmd=F_GETFD 或 cmd=F_SETFD）；
⚫ 获取/设置文件状态标志（cmd=F_GETFL 或 cmd=F_SETFL）；
⚫ 获取/设置异步 IO 所有权（cmd=F_GETOWN 或 cmd=F_SETOWN）；
⚫ 获取/设置记录锁（cmd=F_GETLK 或 cmd=F_SETLK）；

  • 返回值：执行失败情况下，返回-1，并且会设置 errno；执行成功的情况下，其返回值与 cmd（操作命令）有关，譬如 cmd=F_DUPFD（复制文件描述符）将返回一个新的文件描述符、cmd=F_GETFD（获取文件描述符标志）将返回文件描述符标志、cmd=F_GETFL（获取文件状态标志）将返回文件状态标志等。
    fcntl 使用示例
    (1)复制文件描述符
    当 cmd=F_DUPFD 时，它的作用会根据 fd 复制出一个新的文件描述符，此时需要传入第三个参数，第三个参数用于指出新复制出的文件描述符是一个大于或等于该参数的可用文件描述符（没有使用的文件描述符）；如果第三个参数等于一个已经存在的文件描述符，则取一个大于该参数的可用文件描述符。
    测试代码如下所示：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{int fd1, fd2;int ret;/* 打开文件 test_file */fd1 = open("./test_file", O_RDONLY);if (-1 == fd1) {perror("open error");exit(-1);}/* 使用 fcntl 函数复制一个文件描述符 */fd2 = fcntl(fd1, F_DUPFD, 0);if (-1 == fd2) {perror("fcntl error");ret = -1;goto err;}printf("fd1: %d\nfd2: %d\n", fd1, fd2);ret = 0;close(fd2);
err:/* 关闭文件 */close(fd1);exit(ret);
}
  • cmd=F_GETFL 可用于获取文件状态标志，cmd=F_SETFL 可用于设置文件状态标志,cmd=F_GETFL 时不需要传入第三个参数，返回值成功表示获取到的文件状态标志,cmd=F_SETFL 时，需要传入第三个参数，此参数表示需要设置的文件状态标志。这些标志指的就是我们在调用 open 函数时传入的 flags 标志，可以指定一个或多个（通过位或 | 运算符组合），但是文件权限标志（O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR）以及文件创建标志（O_CREAT、O_EXCL、O_NOCTTY、O_TRUNC）不能被设置、会被忽略；在 Linux 系统中，只有 O_APPEND、O_ASYNC、O_DIRECT、O_NOATIME 以及 O_NONBLOCK 这些标志可以被修改，这里面有些标志并没有给大家介绍过，后面我们在用到的时候再给大家介绍。
  • ioctl()可以认为是一个文件 IO 操作的杂物箱，可以处理的事情非常杂、不统一，一般用于操作特殊文件或硬件外设，此函数将会在进阶篇中使用到，譬如可以通过 ioctl 获取 LCD 相关信息等.
#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

1.15 截断文件

使用系统调用 truncate()或 ftruncate()可将普通文件截断为指定字节长度，其函数原型如下所示：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int truncate(const char *path, off_t length);

1.16

1.17

1.18

1.19

Tips

man 2 open查看命令介绍

man 命令后面跟着两个参数，数字 2 表示系统调用，man 命令除了可以查看系统调用的帮助信息
外，还可以查看 Linux 命令（对应数字 1）以及标准 C 库函数（对应数字 3）所对应的帮助信息；最后一个
参数 open 表示需要查看的系统调用函数名。

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