2. 文件编程

2.1 什么是文件I/O

I/O是指输入/输出（Input/Output）的缩写，在Linux系统中，所有的输入和输出都是通过文件进行的，这也被称为文件I/O。 Linux文件I/O指的是在Linux操作系统中主存和外部设备（比如硬盘、U盘）进行文件输入和输出的过程，其中数据从设备到内存的过程称为输入，数据从内存到设备的过程叫输出。

2.2 Linux文件I/O编程的基本方式

标准I/O（stdio）：标准I/O函数库提供了一系列高级的文件I/O函数，如fopen、fclose、fread、fwrite等，它们可以帮助程序员更方便地进行文件操作。标准I/O函数库还提供了缓冲区机制，可以提高文件I/O的效率。
文件I/O（syscall）：系统调用I/O是直接使用系统调用进行文件操作，例如open、read、write、close等函数。与标准I/O函数库不同，系统调用I/O函数没有缓冲区，文件I/O的效率更高。
原始I/O（raw I/O）：原始I/O是一种低级别的文件I/O，使用read和write函数进行数据读写，可以更加细粒度地控制文件的I/O操作。原始I/O一般用于对特殊设备进行操作，例如磁盘分区、网络设备等等。这三种方式在Linux系统中都可以使用，选择哪一种方式主要取决于具体的应用场景和需要。标准I/O适用于大多数文件I/O操作，可以提高程序的开发效率；系统调用I/O适用于对文件进行更底层的操作，可以提高文件I/O的效率；原始I/O则适用于对特殊设备进行操作。

2.3 文件描述符

对于文件I/O来说，一切都是通过文件描述符进行的。在Linux系统中，当打开或者创建一个文件的时候，内核向进程返回一个对应的文件描述符（非负整数）。同时还规定一个进程启动的时候，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误。这意味着如果此时去打开一个新的文件，它的文件描述符会是3，再打开一个文件文件描述符就是4......
POSIX 定义了 STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO 和 STDERR_FILENO 来代替 0、1、2。这三个符号常量的定义位于头文件 unistd.h。

2.4 打开或创建文件

Linux提供open函数来打开或者创建一个文件。该函数声明如下：

#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)

参数含义：
- pathname表示文件称，可以包含(绝对相对)路径；
- flags 表示文件打开方式；
- mode用来规定对该文件的所有者、文件的用户组及系统中其他用户的访问权限。
- 如果函数行成功，就返回文件描述符，如果函数执行失败，就返回-1。
文件打开的方式flags可以使用下列宏 (当有多个选项时，采用“|”连接)：
- O_RDONLY:打开一个只供读取的文件。
- O_WRONLY: 打开一个只供写入的文件。
- O_RDWR:打开一个可供读写的文件。
- O_APPEND:写入的所有数据将被追加到文件的末尾。
- O_CREAT:打开文件，如果文件不存在就建立文件。
- O_EXCL:如果已经置O_CREAT且文件存在，就强制open失败。
- O_TRUNC:在打开文件时，将文件的内容清空。
mode只有创建文件时才使用此参数，指定文件的访问权限。模式有：
- S_IRUSR:文件所有者的读权限位。
- S_IWUSR:文件所有者的写权限位。
- S_IXUSR: 文件所有者的执行权限位。
- S_IRWXU: S IRUSRS IWUSRS IXUSR。
- S_IRGRP:文件用户组的读权限位。
- S_IWGRP.文件用户组的写权限位。
- S_IXGRP:文件用户组的执行权限位。
- S_IRWXG: S_IRGRP|S_IWGRPI|S_IXGRP。
- S_IROTH:文件其他用户的读权限位。
- S_IWOTH:文件其他用户的写权限位。
- S_IXOTH: 文件其他用户的执行权限位。
- S_IRWXO：S_IROTH|S_IWOTH|IXOTH。
文件访问权限的计算是根据umask&～mode得出来的。
- 当我们登录 Linux 系统之后创建文件总有一个默认权限，设置用户创建文件的默认权限就是umask所做的工作。umask 设置文件权限通过指定建立文件时预设的权限掩码来实现，不能默认创建可执行文件，必须手工赋予执行权限，所以创建文件时默认为最大权限 666，而目录默认最大权限为777。
- 计算方法：
  - 例如umask值为022：
    linaro@linaro-alip:~$ umask 0022
  - 则默认文件的权限为：110 110 110 & (～000 010 010) = 110 110 110 & 111 101 101 = 110 100 100
  - 即默认权限为：644
打开当前工作目录 luckfox 下的文件test.txt：
```
int fd = open("./luckfox/test.txt", O_RDWR)
```
如果要以只读方式打开当前目录上级目录下的某个文件：
```
int fd = open("../luckfox .txt", O_RDWR)
```
打开绝对路径下的文件（不存在就创建，否则以读写方式打开）：
```
int fd = open("./luckfox/test.txt", O_CREAT| O_RDWR)
```

创建文件：新建一个open.cpp文件，在open.cpp中输入代码如下：

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    fd = open("luckfox.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (fd == -1)
    {
        printf("open is error\n");
        return -1;
    }
    printf("fd is %d\n", fd);
    return 0;
}

如果函数执行成功，返回的文件描述符为3；否则返回-1。

2.5 读取文件的数据

Linux提供read函数从打开的文件中读取数据，该函数声明如下：
```
#include<unistd.h>
ssize_t read(int fd, void * buf ,size_t count)
```
参数含义：
- fd为文件描述符；
- buf表示读出数据缓冲区地址；
- count表示读出的字节数。
函数含义：把参数fd所指的文件传送count个字节到buf指针所指的内存中。
返回值：若读取成功，则返回实际读到的字节数。若失败，返回-1。若已达到文件尾或没有可读取数据，则返回0。注意：因此读到的字节数可能小于count的值。

从文件中读取数据：

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    char buf[32] = {0};
    ssize_t ret;
    fd = open("luckfox.txt", O_RDWR);
    if (fd == -1)
    {
        printf("open is error\n");
        return -1;
    }
    printf("fd is %d\n", fd);
    ret = read(fd,buf,32);
     if (ret == -1)
    {
        printf("read is error\n");
        return -2;
    }
    printf("buf is %s", buf);
    printf("ret is %ld\n", ret);
    close(fd);
    return 0;
}

2.6 向文件写入数据

Linux提供write函数将数据写入已打开的文件内，该函数声明如下：
```
#include<unistd.h>
ssize_t write(int fd, void * buf ,size_t count)
```
参数含义：
- fd为文件描述符；
- buf表示读出数据缓冲区地址；
- count表示读出的字节数。
函数含义：把参数buf所指的缓冲区中的count个字节数数据写入fd所指的文件内。

向文件中写入数据：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    ssize_t ret;
    char buf[] = "boys and girls\n hi,children!";
    char filename[] = "luckfox.txt";

    fd = open(filename,O_RDWR|O_APPEND);
    if (fd == -1)
    {
        printf("open is error\n");
        return -1;
    }
    printf("fd is %d\n", fd);
    ret = write(fd,buf,strlen(buf));
    printf("write %d bytes to file %s\n",ret,filename);
    close(fd);
    return 0;
}

2.7 文件偏移量

在实际应用中，有的时候需要从文件中某个位置开始读写，此时需要让文件读写位置移动到新的位置。在Linux系统中可使用函数 lseek 来修改文件偏移量 ( 读写位置 )，该函数声明如下：
```
#include <sys/types.h>
#include<unistd.h>

off_t lsweek(int fd, off_t offset, int whence)
```
参数含义：
- fd为文件描述符；
- offset：偏移量，以字节为单位，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。
- whence：与参数offset偏移量搭配使用，该参数为当前位置的基点，可以使用一下三种值：
  - SEEK_SET：相对于文件开头；
  - SEEK_CUR：相对于当前的文件读写指针位置；
  - SEEK_END：相对于文件末尾。
把文件位置指针设置为100：
```
lseek(fd,100,SEEK SET);
```
把文件位置设置成文件末尾：
```
lseek(fd,0,SEEK END);
```
确定当前的文件位置：
```
lseek(fd,0,SEEK CUR);
```

第二次重新开始读取文件：

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    char buf[32] = {0};
    ssize_t ret;
    fd = open("luckfox.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (fd == -1)
    {
        printf("open is error\n");
        return -1;
    }
   // printf("fd is %d\n", fd);

    ret = read(fd, buf, 32);
    if (ret < 0)
    {
        printf("read is error\n");
        return -2;
    }
    printf("buf is %s\n", buf);
    printf("ret is %ld\n", ret);

    lseek(fd,0,SEEK_SET);
    ret = read(fd, buf, 32);

    printf("ret is %ld\n", ret);
    close(fd);
    return 0;
}

确定文件的当前位置：

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    char buf[32] = {0};
    ssize_t ret;
    fd = open("luckfox.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (fd == -1)
    {
        printf("open is error\n");
        return -1;
    }

    ret = read(fd, buf, 8);
    if (ret < 0)
    {
        printf("read is error\n");
        return -2;
    }
    printf("buf is %s\n", buf);
    printf("ret is %ld\n", ret);

    ret=lseek(fd,0,SEEK_CUR);
  
    printf("ret is %ld\n", ret);
    close(fd);
    return 0;
}

查看文件大小（字节数）：

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    char buf[32] = {0};
    ssize_t ret;
    fd = open("luckfox.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (fd == -1)
    {
        printf("open is error\n");
        return -1;
    }
  

    ret = read(fd, buf, 2);
    if (ret < 0)
    {
        printf("read is error\n");
        return -2;
    }
    printf("buf is %s\n", buf);
    printf("ret is %ld\n", ret);

    ret=lseek(fd,0,SEEK_END);
   

    printf("ret is %ld\n", ret);
    close(fd);
    return 0;
}

2.1 什么是文件I/O​

2.2 Linux文件I/O编程的基本方式​

2.3 文件描述符​

2.4 打开或创建文件​

2.5 读取文件的数据​

2.6 向文件写入数据​

2.7 文件偏移量​