文件操作的系統調用接口：
文件是Linux系統中的重要概念。它不僅僅是對普通文件的操作接口，也是設備通信、進程間通信、網絡通信的重要編程接口。因
此文件操作的相關調用也是Linux內核提供的最重要的編程接口。
本節將重點敘述如下幾個常用的文件操作系統調用。
open：打開文件。
read：從已打開的文件中讀取數據。
write：向已打開的文件中寫入數據。
close：關閉已打開的文件。
ioctl：向文件傳遞控制信息或發出控制命令。
對文件的操作工程一般是這樣的：先打開文件，內核對打開的文件進行管理，打開成功后應用程序將獲得文件描述符；然后應用程
序使用文件描述符對文件進行讀寫操作；當全部操作完畢后，應用程序需要將文件關閉以釋放用於管理打開文件的內存。
文件描述符是一個取值從0開始的整數。內核默認一個進程同時打開的文件數有一個上限，也就是文件描述符取值的上限，一般是
1024。
每個進程在啟動后就默認有三個打開的文件描述符0,1,2，如果啟動程序時沒有進行重定向，則文件描述符0關聯到標准輸入，1關
聯到標准輸出，2關聯到標准錯誤輸出。在C庫函數中可以使用以下幾個宏來表示這幾個文件描述符：
#define STDIN_FILENO 0
#define STDOUT_FILENO 1
#define STDERR_FILENO 2
打開文件：
在訪問文件之前，首先應打開文件。可以使用open或creat函數來打開文件，它們的接口頭文件及函數原型如下：
#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);
int creat(const char *pathname, mode_t mode);
其各個參數及返回值的含義解釋如下.
◆ pathname：要打開的文件名稱。
◆ flags：標志位，指定打開文件的操作方式及打開時的一些行為。
◆ mode： 用於指定新文件的權限標志位。
◆ 返回值：操作成功則返回文件描述符，否則返回-1並設置標量errno的值。
flags參數有以下幾個基本的取值。
◆ O_RDONLY：以只讀方式打開文件。
◆ O_WRONLY：以只寫方式打開文件。
◆ O_RDWR：以讀寫方式打開文件。
這幾個標志位指定打開文件的操作方式，它們是互斥的，不能同時使用，但可以與下述標志用按位或的方式組合起來使用。
◆ O_CREAT：如果被打開的文件不存在，則自動創建這個文件。
◆ O_EXCL：如果O_CREAT標志已經使用，那么當由pathname參數指定的文件已經存在時open函數返回失敗。如果pathname給出的是
一個符號鏈接，無論它指向的文件是否存在，對open函數的調用都會返回失敗。
◆ O_NOCITY：如果被打開的文件是一個終端設備文件（如/dev/tty），它不會成為這個進程的控制終端。
◆ O_TRUNC:如果被打開的文件存在並且是以可寫的方式打開的，則清空文件原有內容。
◆ O_APPEND：新寫入的內容將被附加在文件原來的內容之后，即打開后文件的讀寫位置被置於文件尾。
◆ O_NONBLOCK：被打開的文件將以非阻塞的方式進行操作。
◆ O_NDELAY：同O_NONBLOCK。
◆ O_SYNC：被打開的文件將以同步I/O的方式進行操作，即任何寫操作都會先被同步到硬件設備上。同步完成后，對寫函數的調用
才返回。
◆ O_NOFOLLOW：如果pathname是一個符號鏈接，則對open函數的調用將返回失敗。
◆ O_DIRECTORY：如果pathname不是目錄，則對open函數的調用將返回失敗。
需要注意的是，open函數有兩個原型，其中一個多出了個參數mode，它用於指定創建的新文件的訪問權限。如果打開時使用了
O_CREAT標志創建新文件，則一般都要給出mode參數，它的一些常用取值如表所示，這些值可以用按位或的方式組合使用。新文件的所屬用
戶和所屬組則是創建它的進程的所屬用戶和所屬組。
權限標志定義 對應的八進制形式 含義
S_IRWXU 00700 文件所屬用戶有讀寫和執行權限
S_IRUSR（S_IREAD） 00400 文件所屬用戶有讀權限
S_IWUSR（S_IWRITE） 00200 文件所屬用戶有寫權限
S_IXUSR（S_IEXEC） 00100 文件所屬用戶有執行權限
S_IRWXG 00070 組內用戶有讀寫和執行權限
S_IRGRP 00040 組內用戶有讀權限
S_IWGRP 00020 組內用戶有寫權限
S_IXGRP 00010 組內用戶有執行權限
S_IRWXO 00007 其他用戶有讀寫和執行權限
S_IROTH 00004 其他用戶有讀權限
S_IWOTH 00002 其他用戶有寫權限
S_IXOTH 00001 其他用戶有執行權限
鑒於在調用open函數時，O_WRONLY，O_CREAT，O_TRUNC三個標志位經常組合使用，因此由一個專門的函數creat來實現。如下：
creat(pathname, mode);
實際上等價於：
open(pathname,O_WRONLY｜O_CREAT|O_TRUNC,mode);
這兩個函數在打開文件成功時將返回一個文件描述符，可用於隨后的read/write或其他對文件的操作使用。兩個不同的進程打開同
一個文件是允許的，但它們得到的文件描述符一般是不同的。如果它們都對文件進行寫操作，就會出現數據不一致的情況，也就是最后寫入
的可能覆蓋先前其他進程寫入的內容，這就涉及到進程間數據共享和同步的概念了。
如果打開操作失敗，這兩個函數會返回-1，並將errno變量設置為一個合適的錯誤值。
從文件讀取數據：
文件打開后就可以進行讀寫操作了。讀操作的接口頭文件及函數原型如下：
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
其各個參數及返回值的含義解釋如下：
◆ fd：要讀取的文件描述符。
◆ buf：指向讀取到的數據要放入的緩沖區。（buf指向的內存空間必須事先分配好）
◆ count：要讀取的字節數（緩沖區大小）。
◆ 返回值：讀取到的字節數，失敗返回-1，並設置標量errno的值。
這里的size_t型實際上就是無符號整型，而ssize_t型就是有符號整型。
這個函數將從fd代表的文件的當前讀寫位置讀取不超過count個字節到buf指向的內存中，並返回讀到的字節數。
對於普通文件來說，讀操作完成后，文件的讀寫位置會向后移動，移動的長度就是讀取的字節數，下一次讀操作將從新的讀寫位置
開始。
read函數的返回值小於指定的count是可能的，並不是錯誤。出現這種情況有各種原因，比如，文件本身可供讀取的字節數比count
小或者read系統調用被信號打斷等。read系統調用看似簡單，但實際上對於各種可能情況的處理是比較復雜的，因為I/O操作有很多異常情
況要考慮到。下面列出了read系統調用中可能遇到的情況及其處理方法。
◆ 調用返回值等於count，讀取的數據存放在buf指向的內存中，結果與預期一致。
◆ 調用返回一個大於0小於count的值，讀取的字節數存放在buf指向的內存中。出現這種情況可能是一個信號打斷了讀取過程，或
在讀取中發生了一個錯誤，或讀取的有效字節數大於0但不足count個，或在讀入count個字節前文件已經結束。如果讀取
的過程被信號打斷則可以再次進行讀取。
◆ 調用返回0，說明文件已結束，沒有可以讀入的數據。
◆ 調用阻塞，說明沒有可讀的數據，這種情況下如果以非阻塞方式操作文件，那么會立即返回錯誤。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為EINTR，表示在讀入有效字節前收到一個信號，這種情況可以重新進行讀操作。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為EAGAIN，這說明是在非阻塞方式下讀文件，並且沒有可讀的數據。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為非EINTR或EAGAIN的值，表示有其他類型的錯誤發生，必須根據具體情況進行處理。
由於有各種異常情況的存在，為了從文件中可靠的讀取指定的字節數，就必須對這些情況進行處理，必要時需重新進行讀操作。這
對於設備文件、管道或socket來說尤其有意義。例如，用下面的代碼能夠可靠的從文件中讀取指定的字節數（假設文件是以阻塞的方式進行
操作的）：
ssize_t ret;
while(len != 0 && (ret = read(fd,buf,len)) != 0)
{
if(ret == -1)
{
if(errno == EINTR) continue;
perror("read");
break;
}
len -= ret;
buf += ret;
}
這里把操作放在循環中，當一次讀操作沒有得到len個字節時，將調整len和buf的值繼續進行操作。如果讀操作返回-1，說明有錯
誤發生，這時如果錯誤碼是EINTR，說明只是被信號打斷，可以繼續讀，其他情況則被認為是嚴重的錯誤，不能再繼續讀。
以上是以阻塞方式讀文件的例子，這時，如果文件是一個設備文件並且設備沒有可讀的數據，進程將進入睡眠狀態不再繼續執行，
或者說阻塞在read系統調用處，直到設備有了可讀的數據才會被喚醒繼續執行。很多時候我們需要進程能夠立刻返回以處理其他的事物，那
么就需要采用非阻塞的方式來操作文件，舉例如下：
ssize_t nr;
start:
nr = read(fd, buf, len);
if(nr == -1)
{
if(errno == EINTR) goto start;
if(errno == EAGAIN)
{
/*處理其他事物，在恰當時再調用read*/
}
else
{
/*有錯誤發生，處理錯誤*/
}
}
可以看到，在采用非阻塞的方式讀文件時，如果讀操作返回-1，我們必須檢查錯誤碼是否為EINTR或EAGAIN，如果是EINTR，可以再
次進行讀操作，而如果是EAGAIN，表示要讀取的（設備）文件現在沒有可供讀取的數據，因此進程可以繼續處理其他事物，而后在恰當的時
機再來讀取這個文件。
寫數據到文件：
向打開文件中寫入數據的接口頭文件及函數原型如下：
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
其各個參數及返回值的含義解釋如下。
◆ fd：要寫入的文件的描述符。
◆ buf：指向要寫入的數據所存放的緩沖區。
◆ count：要寫入的字節數。
◆ 返回值：實際寫入的字節數，失敗則返回-1，並設置變量errno的值。
這個函數會從fd所代表的文件當前讀寫位置開始，把buf指向的內存中最多count個字節寫入文件。寫入成功則返回寫入的字節數，
並更新文件的讀寫位置。
write系統調用返回大於0而小於count的值是合法的，並不表示有錯誤發生。
◆ 調用返回值等於count，說明數據全部寫入成功。
◆ 調用返回一個大於0小於count的值，說明部分數據沒有寫入。這可能是因為寫入過程被信號打斷，或者底層的設備暫時沒有足
夠的空間存放寫入的數據。
◆ 調用阻塞，說明暫時不能寫入數據，這種情況下如果以非阻塞方式操作文件，那么會立即返回錯誤。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為EINTR，表示在寫入一個有效字節前，收到一個信號，應用程序可以再次進行寫操作。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為EAGAIN，說明是在非阻塞方式下寫文件但文件暫時不能寫入數據。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為EBADF，表示給定的文件描述符非法，或者文件不是以寫方式打開。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為EFAULT，表示buf是無效的指針。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為EFBIG，表示寫入的數據超過了最大的文件尺寸，或者超過了允許的文件讀寫位置。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為EPIPE，說明寫入時發生了數據通道斷層的錯誤，這種情況只在文件是管道或者是socket
的情況下發生。在這種情況下，進程還將收到一個SIGPIPE信號，信號的默認處理程序是使進程退出。
◆ 調用返回-1，並且errno變量被設置為ENOSPC，說明底層設備沒有足夠的空間。
寫文件舉例如下：
ssize_t ret;
while(len != 0 && (ret = write(fd, buf, len)) != 0)
{
if(ret == -1)
{
if(errno == EINTR) continue;
perror("write");
break;
}
len -= ret;
buf += ret;
}
這里假定寫操作是以阻塞的方式進行的。如果以非阻塞方式進行寫操作，則當函數返回-1時，必須檢測errno變量的值是否為
EAGAIN，以決定能否再進行寫操作。
發送控制命令：
在Linux系統上，那些不能被抽象為讀和寫的文件操作統一由ioctl操作代表。ioctl操作用於向文件發送控制命令，這些命令不能
被視為是輸入輸出流的一部分，而只是影響文件的操作方式。對於設備文件來說，ioctl操作常用於修改設備的參數。
ioctl系統調用的接口頭文件及函數原型如下：
#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, int request, ...);
◆ fd：要操作的文件描述符。
◆ request：代表要進行的操作，不同的（設備）文件有不同的定義。
◆ 可變參數：取決於request參數，通常是一個指向變量或結構體的指針。
◆ 返回值：成功返回0，有效ioctl操作返回其他非負值，錯誤返回-1。
ioctl能夠進行的操作根據fd所代表的文件的具體類型而變化，非常繁多。下面舉一個例子，使用TIOCGWINSZ命令獲得終端的窗口
大小，如下：
/*文件名：console_size.c*/ /*說明：使用ioctl獲得控制台窗口的大小*/ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/ioctl.h> int main(void) { struct winsize size; /*判斷標准輸出是否為tty設備，防止輸出被重定向的情況*/ if(!isatty(STDOUT_FILENO) < 0) return -1; /*獲得窗口大小*/ if(ioctl(STDOUT_FILENO, TIOCGWINSZ, &size) < 0) { perror("ioctl TIOCGWINSZ error"); return -1; } /*輸出結果*/ printf("rows is %d, columns is %d\n", size.ws_row, size.ws_col); return 0; }
關閉文件：
程序完成對文件的操作后，要使用close系統調用將文件關閉，其接口頭文件與函數原型如下：
#include <unistd.h>
int close(int fd);
fd是要關閉的文件的描述符，返回值在操作成功的情況下是0，否則是-1.