【Linux系统编程】基本IO函数

1、open 函数

头文件

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

函数定义

 int open(const char *pathname, int flags);  //一般用在已经才能在的文件int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); //用在新创建，并且自己显式设置权限

参数说明

pathname
要打开的文件路径（可以是绝对路径或相对路径）。

flags
文件打开模式，用于指定打开文件的方式。以下是常用的标志：

必选标志（必须指定其中一个）：

O_RDONLY：只读模式。 O_WRONLY：只写模式。 O_RDWR：读写模式。

可选标志（可以组合使用）：

O_CREAT：如果文件不存在，则创建文件。
O_EXCL：与O_CREAT一起使用，如果文件已存在，则返回错误。
O_TRUNC：如果文件存在且为普通文件，则将其长度截断为 0。
O_APPEND：以追加模式打开文件，每次写操作都会将数据追加到文件末尾。
O_NONBLOCK：以非阻塞模式打开文件。
O_SYNC：每次写操作都会等待数据写入磁盘。

mode
当使用 O_CREAT 标志时，需要指定文件的权限模式（八进制表示）。例如：
0644：文件所有者可读写，其他用户只读。
0755：文件所有者可读、写、执行，其他用户可读、执行。

0664 的每一位含义如下：

第一位 0：忽略（通常用于特殊权限，如 SUID、SGID 等）。
第二位 6：文件所有者具有读 ® 和写 (w) 权限。
第三位 6：文件所属组具有读 ® 和写 (w) 权限。
第四位 4：其他用户具有读 ® 权限

通过umask命令查看系统权限掩码
在这里插入图片描述
mode的实际权限是减去权限掩码后的权限，比如创建时mode=0666，权限掩码是0002，那么实际的权限是0664。如果mode=0775，实际还是0775，因为umask的0002是去除w权限，而mode中的5是r-x不包含w权限，所以就不减去2，还是0775。

返回值

成功时，返回一个文件描述符（非负整数）。一般成功是3（因为0,1,2被stdin、stdout、stderr占用了）

失败时，返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

注意:
open()可以打开设备文件，但是不能创建设备文件

示例：
创建并打开一个新文件（读写模式）

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{const char *path = "hello.txt";int fd = open(path,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0664);if (fd < 0){perror("open file error");return -1;}printf("fd = %d\n",fd);close(fd);
}

2、create 函数

头文件

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

函数定义

int creat(const char *pathname, mode_t mode);

参数说明、返回值
同上

文件权限

文件的实际权限由 mode 参数和当前进程的 umask 共同决定。
计算公式：实际权限 = mode & ~umask。
例如：如果 mode 为 0666，umask 为 0022，则实际文件权限为 0644

注意事项

creat() 函数只能以只写模式（O_WRONLY）打开文件。如果需要以读写模式打开文件，应使用 open() 函数。
如果文件已存在，creat() 会清空文件内容。如果需要保留文件内容，应使用 open() 函数，并避免使用 O_TRUNC 标志。
creat() 函数在现代编程中较少使用，通常直接使用 open() 函数替代。

与 open() 的关系

creat() 函数是 open() 函数的一个特例，以下两种调用是等价的：

int fd1 = creat("file.txt", 0644);
int fd2 = open("file.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);

示例

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{int fd = creat("hello2.txt", 0664);if (fd < 0){perror("oppen file error");return -1;}close(fd);
}

3、write 函数

头文件

#include <unistd.h>

函数定义

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数说明

fd：文件描述符，表示要写入的目标（例如文件、管道、套接字等）。
buf：指向要写入数据的缓冲区的指针。
count：要写入的字节数。

返回值

成功时，返回实际写入的字节数（ssize_t 类型）。
失败时，返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

示例

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>typedef struct student
{char name[16];int age;
}stu_t;int main()
{const char *path = "hello2.txt";int fd = open(path,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0664);if (fd < 0){perror("oppen file error");return -1;}printf("fd = %d\n",fd);
#if 1//操作char *str = "hello world\n";char buf[128] = "hello world";int len1 = write(fd,str,strlen(str));if(len1 < 0){perror("write error");close(fd);return -1;}int len2 = write(fd,str,sizeof(str));if(len2 < 0){perror("write error");close(fd);return -1;}printf("len1 = %d\n",len1);printf("len2 = %d\n",len2);
#endif#if 1stu_t stu = {"zhangsan",18};int len = write(fd,&stu,sizeof(stu_t));  if(len < 0){perror("write data error");close(fd);return -1;}printf("len = %d\n",len);   //20
#endifclose(fd);
}

4、read 函数

头文件

#include <unistd.h>

函数定义

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数说明

fd：文件描述符，表示要读取的目标（例如文件、管道、套接字等）。
buf：指向存储读取数据的缓冲区的指针。
count：要读取的最大字节数。

返回值

成功时，返回实际读取的字节数（ssize_t 类型）。
返回 0 表示已到达文件末尾（EOF）。 //可以判断是否为空文件
失败时，返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

示例

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>typedef struct student
{char name[16];int age;
} stu_t;int main()
{const char *path = "hello2.txt";int fd = open(path, O_RDONLY);if (fd < 0){perror("oppen file error");return -1;}printf("fd = %d\n", fd);#if 0       //循环读取char buf[5] = "";while (1){memset(buf,0,sizeof(buf));   //主要用于判断最后一次读的内容int len = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1); // 尾0留一个字节if (len < 0){perror("read file error");close(fd);return -1;}if (len == 0) // len == 0 ,表示读到文件末尾break;printf("len = %d\n", len);printf("buf = %s\n", buf);}
#endif#if 1stu_t stu = {0};   //读取结构体内容int len = read(fd,&stu,sizeof(stu_t));if(len < 0){perror("read file error");close(fd);return -1;}printf("len = %d stu.name = %s stu.age = %d\n",len,stu.name,stu.age);
#endifclose(fd);
}

5、lseek 函数

头文件

	   #include <sys/types.h>#include <unistd.h>

函数定义

 off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

参数说明

fd：文件描述符，表示要操作的文件。
offset：偏移量，表示要移动的字节数。正数向右，负数向左
whence：基准位置，决定如何解释 offset 的值。它可以是以下常量之一：
- SEEK_SET：从文件开头开始计算偏移量。
- SEEK_CUR：从当前文件指针位置开始计算偏移量。
- SEEK_END：从文件末尾开始计算偏移量。

返回值

成功时，返回新的文件指针位置（从文件开头计算的字节数）。
失败时，返回 -1，并设置 errno 表示错误原因。

注意事项

对于普通文件，lseek() 允许将文件偏移量设置为超出文件末尾的位置。在这种情况下，后续的 write() 操作会扩展文件大小。
对于管道、FIFO 或套接字，lseek() 不可用，因为这些设备不支持随机访问。
lseek() 不会导致 I/O 操作，它只是修改文件偏移量。

特殊用法

获取文件大小：将文件偏移量移动到文件末尾，并返回当前偏移量。

off_t file_size = lseek(fd, 0, SEEK_END);

扩展文件大小：将文件偏移量移动到超出文件末尾的位置，并写入数据。也叫空洞文件
- 空洞文件的特性是：
  文件中存在未写入数据的区域（空洞）。
  这些空洞不会占用实际的磁盘空间。
  文件系统会记录文件的逻辑大小，但实际占用的磁盘空间只包括已写入数据的部分。

lseek(fd, 100, SEEK_END);
write(fd, "", 1);  // 扩展文件大小

示例

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{const char *path = "hello2.txt";
。int fd = open(path,O_RDWR,0664);if (fd < 0){perror("oppen file error");return -1;}printf("fd = %d\n",fd);#if 1// lseek(fd,1,SEEK_SET);lseek(fd,-2,SEEK_END);char buf[128] = "";read(fd,buf,sizeof(buf) -1);printf("buf = %s\n",buf);//获取文件大小int size = lseek(fd,0,SEEK_END);    //先移动到末尾，再获取当前的位置printf("%d\n",size);//创建空洞文件int size2 = lseek(fd,50,SEEK_SET);write(fd,"a",1);printf("%d\n",size2);#endif#if 0char *str = "aaaaaaaa";write(fd,str,strlen(str));lseek(fd,0,SEEK_SET);char buf[128] = "";read(fd,buf,sizeof(buf)-1);printf("buf = %s\n",buf);close(fd);
#endif
}

6、access 函数

头文件

#include <unistd.h>

函数定义

int access(const char *pathname, int mode);

参数说明

pathname：文件或目录的路径。
mode：检查的权限模式，可以是以下值的组合：
- F_OK：检查文件是否存在。
- R_OK：检查是否具有读权限。，而不是实际用户 ID 和实际组 ID。
- X_OK: 检查是否有可执行权限
- W_Ok: 检查是否有可写权限
如果文件权限发生变化，access() 的结果可能会失效，因为它只是检查当前状态。
如果文件是符号链接，access() 会检查符号链接指向的目标文件的权限。

返回值

成功：返回 0，表示文件存在且具有指定的访问权限。
失败：返回 -1，并设置 errno 为以下值之一：
- EACCES：访问被拒绝。
- ENOENT：文件或路径不存在。
- ENOTDIR：路径中的某个部分不是目录。
- EROFS：文件系统只读，无法写入。

注意事项

access 函数检查的是当前进程的权限，而不是文件的权限位。
如果文件是符号链接，access 会检查链接指向的目标文件的权限。
在多线程程序中，使用 access 可能会导致竞争条件（race condition），因为文件的状态可能在检查和使用之间发生变化。

示例

#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int main()
{// F_OK: check file exist or notif(access("hello.txt",F_OK) == 0){printf("hello.txt exist\n");}elseprintf("hello.txt not exist\n");//检查文件是否有读、写、执行权限if(access("hello.txt",W_OK | R_OK) == 0){printf("hello.txt have R_OK, W_OK\n");}elseprintf("hello.txt not have R_OK, W_OK\n");}

7、unlink 函数

头文件

#include <unistd.h>

函数定义

 int unlink(const char *pathname);

参数说明

pathname：要删除的文件的路径。

返回值

成功时返回 0。
失败时返回 -1

示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{//删除文件文件之前，判断文件是否存在if(access("hello2.txt",F_OK) == 0){int res = unlink("hello2.txt");if (res < 0){perror("unlink file error");return -1;}}}

8、remove 函数

头文件

#include <stdio.h>

函数定义

int remove(const char *pathname);

参数说明

pathname：要删除的文件的路径。

返回值

成功时返回 0。
失败时返回 -1

示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{  //remove 删除空目录if(access("dir",F_OK) == 0){int res = remove("dir");if (res < 0){perror("unlink file error");return -1;}}
}

9、fcntl 函数

头文件

 	   #include <unistd.h>#include <fcntl.h>

函数定义

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参数说明

fd：文件描述符，表示要操作的文件。
cmd：操作命令，指定要对文件描述符执行的操作。
arg：可选参数，具体内容取决于 cmd。

返回值

成功时，返回值取决于 cmd。
失败时，返回 -1。

常用命令（cmd）

- F_GETFL：获取文件状态标志（如 O_RDONLY、O_WRONLY、O_NONBLOCK 等）。

int flags = fcntl(fd, F_GETFL);

- F_SETFL：设置文件状态标志。

fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); // 设置非阻塞模式

示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{int fd = STDIN_FILENO;int flags = fcntl(fd,F_GETFL);//获取原来的flagsflags = flags | O_NONBLOCK; //O_NONBLOCK:非阻塞fcntl(fd,F_SETFL,flags);//把新的flags设置进去char buf[128] = "";// int len = 0;// while(1)// {// 	len = read(fd,buf,sizeof(buf) - 1);// 	printf("len = %d\n",len);// 	if(len > 0)// 	{// 		printf("len = %d  buf = %s\n",len,buf);// 		break;// 	}// 	sleep(1);// }// 重新改为阻塞flags = flags^O_NONBLOCK;//异或：相同为0  不同为1fcntl(fd,F_SETFL,flags);//重新设置新的falgsmemset(buf,0,sizeof(buf));read(fd,buf,sizeof(buf));printf("buf = %s\n",buf);}

文件锁结构体 struct flock

struct flock {short l_type;   // 锁类型：F_RDLCK（读锁）、F_WRLCK（写锁）、F_UNLCK（解锁）short l_whence; // 起始偏移的基准：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_ENDoff_t l_start;  // 起始偏移off_t l_len;    // 锁定长度pid_t l_pid;    // 持有锁的进程 ID（F_GETLK 时有效）
};

示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int main()
{const char *path = "hello.txt";int fd = open(path,O_RDWR);if(fd < 0){perror("open file error");return -1;}struct flock rlock = {0};rlock.l_type = F_RDLCK;//读锁rlock.l_whence = SEEK_SET;  //文件开头rlock.l_start = 0;rlock.l_len = 0;  // 0表示锁整个文件rlock.l_pid = getpid(); //获取当前进程的进程号int res = fcntl(fd,F_SETLK,&rlock); //设置锁if(res < 0){perror("fcntl rlock error");close(fd);return -1;}struct flock lockstat = {0};fcntl(fd,F_GETLK,&lockstat);if(lockstat.l_type == F_RDLCK)printf("set read lock\n");else if(lockstat.l_type == F_WRLCK)printf("set write lock\n");else if(lockstat.l_type == F_UNLCK)printf("no lock\n");}

注意

文件锁的作用范围：文件锁是基于进程的，不同进程之间的文件锁会相互影响。
锁的类型：
- 读锁（F_RDLCK）：共享锁，允许多个进程同时获取读锁。
- 写锁（F_WRLCK）：互斥锁，只允许一个进程获取写锁。
锁的继承：文件锁不会被子进程继承。

示例

写锁互斥锁示例

两个终端运行
读锁

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>//return value加锁成功返回0，失败返回-1
int setlock(int fd,short locktype)
{struct flock lock = {0};lock.l_type = locktype;  //读锁lock.l_whence = SEEK_SET;  //文件开头lock.l_start = 0;lock.l_len = 0;  // 0表示锁整个文件lock.l_pid = getpid(); //获取当前进程的进程号int res = fcntl(fd,F_SETLK,&lock); //设置锁// int res = fcntl(fd,F_SETLKW,&lock); //阻塞加锁if(res < 0){return -1;}return 0;
}int main()
{const char *path = "hello.txt";int fd = open(path,O_RDWR);if(fd < 0){perror("open file error");return -1;}//加锁// if (setlock(fd,F_RDLCK)<0)// {//     perror("set lock error");//     close(fd);//     return -1;// }while (setlock(fd,F_RDLCK)<0){perror("set lock error");sleep(1);}//读char buf[128] = "";read(fd,buf,sizeof(buf) - 1);printf("buf = %s\n",buf);getchar();//解锁if(setlock(fd,F_UNLCK) < 0){perror("unlock error");close(fd);return -1;}close(fd);}

写锁

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>//return value加锁成功返回0，失败返回-1
int setlock(int fd,short locktype)
{struct flock lock = {0};lock.l_type = locktype;  //读锁lock.l_whence = SEEK_SET;  //文件开头lock.l_start = 0;lock.l_len = 0;  // 0表示锁整个文件lock.l_pid = getpid(); //获取当前进程的进程号int res = fcntl(fd,F_SETLK,&lock); //设置锁// int res = fcntl(fd,F_SETLKW,&lock); //阻塞加锁if(res < 0){return -1;}return 0;
}int main()
{const char *path = "hello.txt";int fd = open(path,O_RDWR);if(fd < 0){perror("open file error");return -1;}//加写锁// if (setlock(fd,F_WRLCK)<0)// {//     perror("set lock error");//     close(fd);//     return -1; b // }while (setlock(fd,F_WRLCK)<0){perror("set lock error");sleep(1);}//写char buf[128] = "set write lock";write(fd,buf,strlen(buf));printf("write success\n");getchar();//解锁if(setlock(fd,F_UNLCK) < 0){perror("unlock error");close(fd);return -1;}close(fd);}

读锁共享锁示例

加锁后还能读，另一个进程也可以（新开终端模拟）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>// 设置文件锁
int setlock(int fd, short locktype) {struct flock lock = {0};lock.l_type = locktype;      // 锁类型（读锁、写锁、解锁）lock.l_whence = SEEK_SET;    // 从文件开头开始lock.l_start = 0;           // 起始偏移量lock.l_len = 0;             // 0 表示锁整个文件lock.l_pid = getpid();      // 当前进程的进程号// 设置锁（非阻塞模式）int res = fcntl(fd, F_SETLK, &lock);if (res < 0) {return -1; // 加锁失败}return 0; // 加锁成功
}int main() {const char *path = "testfile.txt";int fd = open(path, O_RDWR); // 打开文件if (fd < 0) {perror("open file error");return -1;}// 加读锁（共享锁）printf("Trying to set read lock...\n");if (setlock(fd, F_RDLCK) < 0) {perror("set read lock error");close(fd);return -1;}printf("Read lock set successfully!\n");// 读取文件内容char buf[128] = {0};lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 将文件指针移动到开头read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);printf("File content: %s\n", buf);// 模拟读操作printf("Reading file... Press Enter to unlock.\n");getchar();// 解锁printf("Unlocking file...\n");if (setlock(fd, F_UNLCK) < 0) {perror("unlock error");close(fd);return -1;}printf("File unlocked.\n");close(fd); // 关闭文件return 0;
}