linux-文件系統調用-基於C語言

系統調用

是操作系統提供的、與用戶程序之間的接口，也就是操作系統提供給程序員的接口。從感覺上系統調用類似於過程調用，都由程序代碼構成，使用方式相同，但兩者有實質差別：過程調用只能在用戶態下運行，不能進入核心態；而系統調用可以實現從用戶態到核心態的轉變。

Linux文件描述符

文件描述符fd是進程打開文件列表中的序號，它是一個0~255的整數。文件描述符0、1、2分別用於表示標准輸入、標准輸出和標准錯誤文件。進程打開一個文件后，就一直使用文件描述符fd來對文件進行標識並進行各種操作，它是文件正在被進程使用的標志。

open系統調用

調用open可以打開或創建一個文件。

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int oflag, ... /* mode_t mode */);

返回：若成功為文件描述符，若出錯為- 1

我們將第三個參數寫為. . .，這是ANSI C說明余下參數的數目和類型可以變化的方法。對於open函數而言，僅當創建新文件時才使用第三個參數。在函數原型中此參數放置在注釋中。

第一個參數**pathname*是要打開或創建的文件的名字。

第二個參數oflag參數可用來說明此函數的多個選擇項。用下列一個或多個常數進行或運算構成oflag*參數(這些常數定義在< fcntl . h >頭文件中, 在這三個常數中應當只指定一個)：

• O_RDONLY 只讀打開

• O_WRONLY 只寫打開

• O_RDWR 讀、寫打開

第三個可選參數：

• O_APPEND 每次寫時都加到文件的尾端。

• O_CREAT 若此文件不存在則創建它。使用此選擇項時，需同時說明第三個參數mode，用其說明該新文件的存取許可權位。

• O_EXCL 如果同時指定了O_CREAT，而文件已經存在，則出錯。這可測試一個文件是否存在。

• O_TRUNC 如果此文件存在，而且為只讀或只寫成功打開，則將其長度截短為0。

• O_NONBLOCK 如果pathname指的是一個FIFO、一個塊特殊文件或一個字符特殊文件，則此選擇項為此文件的本次打開操作和后續的I / O操作設置非阻塞方式。

• O_SYNC 使每次write都等到物理I / O操作完成。

由open函數返回的文件描述符一定是最小的未用描述符數字。

舉例：

int fd;                    //定義一個整型的文件描述符
char path[]=“/proc/version”     //記錄Linux內核版本的文件
fd=open(path,O_RDONLY)   //以只讀方式打開

close調用

可用close關閉一個打開文件：

#include <unistd.h>

int close (int fd)；

返回：若成功為0，若出錯為-1

關閉一個文件時也釋放該進程加在該文件上的所有記錄鎖。當一個進程終止時，它所有的打開文件都由內核自動關閉。

lseek調用

每個打開的文件都有一個與其相關聯的“當前文件位移量”。它是一個非負整數，用以度量從文件開始處計算的字節數。通常，讀、寫操作都從當前文件位移量處開始，並使位移量增加所讀或寫的字節數。按系統默認，當打開一個文件時，除非指定O_APPEND選擇項，否則該位移量被設置為0。

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

返回：若成功為新的文件位移，若出錯為-1

對參數offset 的解釋與參數whence的值有關

• 若whence是SEEK_SET，則將該文件的位移量設置為距文件開始處offset 個字節

• 若whence是SEEK_CUR，則將該文件的位移量設置為其當前值加offset, offset可為正或負

• 若whence是SEEK_END，則將該文件的位移量設置為文件長度加offset, offset可為正或負

若lseek成功執行，則返回新的文件位移量，為此可以用下列方式確定一個打開文件的當前位移量：

off_t currpos;
currpos = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);

這種方法也可用來確定所涉及的文件是否可以設置位移量。如果文件描述符引用的是一個管道或FIFO，則lseek返回-1，並將errno設置為EPIPE。

lseek僅將當前的文件位移量記錄在內核內，它並不引起任何I / O操作。然后，該位移量用於下一個讀或寫操作。

文件位移量可以大於文件的當前長度，這種情況下，對該文件的下一次寫將延長該文件並在文件中構成一個空洞，這一點是允許的。位於文件中但沒有寫過的字節都被讀為0。

read調用

用read從打開的文件中讀數據。

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

返回：讀到的字節數，若已到文件尾為0，若出錯為-1

write調用

用write函數向打開文件寫數據。

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

返回：若成功為已寫的字節數，若出錯為-1

其返回值通常與參數nbytes的值不同，否則表示出錯。write出錯的一個常見原因是：磁盤已寫滿，或者超過了對一個給定進程的文件長度限制。

對於普通文件，寫操作從文件的當前位移量處開始。如果在打開該文件時，指定了O_APPEND選擇項，則在每次寫操作之前，將文件位移量設置在文件的當前結尾處。在一次成功寫之后，該文件位移量增加實際寫的字節數。

unlink調用

unlink()函數功能即為刪除文件。執行unlink()函數會刪除所給參數指定的文件。

#include<unistd.h>
int unlink(const char *pathname); // pathname：指定要移除的鏈接文件。

成功返回0；失敗則返回-1，同時設置errno為相應值。

執行unlink()函數並不一定會真正的刪除文件，它先會檢查文件系統中此文件的連接數是否為1，如果不是1說明此文件還有其他鏈接對象，因此只對此文件的連接數進行減1操作。若連接數為1，並且在此時沒有任何進程打開該文件，此內容才會真正地被刪除掉。在有進程打開此文件的情況下，則暫時不會刪除，直到所有打開該文件的進程都結束時文件就會被刪除。

文件鎖

fcntl函數可以改變已經打開文件的性質。

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

返回：若成功則依賴於cmd(見下)，若出錯為-1

• fcntl函數有5種功能：
• 復制一個現有的描述符（cmd=F_DUPFD）.
• 獲得／設置文件描述符標記(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
• 獲得／設置文件狀態標記(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
• 獲得／設置異步I/O所有權(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
• 獲得／設置記錄鎖(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW).

當多個用戶共同使用、操作一個文件也即文件共享的情況下，Linux通常采用給文件上鎖的方法來避免產生競爭。

文件鎖的數據結構：

struct flock{
   short l_type;  //  鎖類型，可取值為F_RDLCK、F_WRLCK、F_UNLCK
   off_t l_start;  // 相對偏移量
   short l_whence; // 位移量起點：SEEK_SET文件開頭、SEEK_CUR文件指針當前位置、SEEK_END文件尾  
   off_t l_len;   //  加鎖區域長度
   pid_t l_pid;   //  加鎖進程的進程號
}

拓展

/proc 文件系統是一種內核和內核模塊用來向進程 (process) 發送信息的機制。這個偽文件系統讓你可以和內核內部數據結構進行交互，獲取有關進程的有用信息，在運行中改變設置。與其他文件系統不同，/proc 存在於內存之中而不是硬盤上。proc 文件系統可以被用於收集有用的關於系統和運行中的內核的信息。

下面是一些重要的文件：

• /proc/cpuinfo - CPU 的信息 (型號, 家族, 緩存大小等)
• /proc/meminfo - 物理內存、交換空間等的信息
• /proc/mounts - 已加載的文件系統的列表
• /proc/devices - 可用設備的列表
• /proc/filesystems - 被支持的文件系統
• /proc/modules - 已加載的模塊
• /proc/version - 內核版本
• /proc/cmdline - 系統啟動時輸入的內核命令行參數

有一些以數字命名的目錄，它們是進程目錄。系統中當前運行的每一個進程在/proc下都對應一個以進程號為目錄名的目錄/proc/pid，它們是讀取進程信息的接口。

通過 /proc 中可讀寫的文件提供了對內核的交互機制。寫這些文件可以改變內核的狀態。大部分 /proc 的文件是只讀的，/proc/sys 目錄存放所有可讀寫的文件的目錄，可以被用於改變內核行為， /proc/sys/kernel目錄包含反通用內核行為的信息。

實驗

編寫兩個源代碼文件read_lock.c和write_lock.c，分別調用lock_set函數對文件加讀鎖和寫鎖。

// lock.c 實現加鎖
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>

int lock_set(int fd,int type)
{
	struct flock old_lock,lock;

	lock.l_whence = SEEK_SET;
	lock.l_start = 0;
	lock.l_len = 0;
	lock.l_type = type;
	lock.l_pid = -1;

	fcntl(fd,F_GETLK,&lock);
	if(lock.l_type != F_UNLCK)
	{
		if(lock.l_type == F_RDLCK)
			printf("Read lock already set by %d\n",lock.l_pid);
		else if(lock.l_type == F_WRLCK)
			printf("Write lock already set by %d\n",lock.l_pid);
	}

	lock.l_type = type;

	if((fcntl(fd,F_SETLKW,&lock)) < 0)
	{
		printf("Lock failed:type = %d\n",lock.l_type);
		return 1;
	}

	switch(lock.l_type)
	{
		case F_RDLCK:
			printf("Read lock set by %d\n",getpid());
			break;
		case F_WRLCK:
			printf("Write lock set by %d\n",getpid());
			break;
		case F_UNLCK:
			printf("Release lock set by %d\n",getpid());
			return 1;
			break;
		default:
			break;
	}
	return 0;
}

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

#include <stdio.h>
#include "lock.c"

int main(){
	char filepath[] = "./test";
	int fd = open(filepath, O_RDONLY);
	lock_set(fd, F_RDLCK);

	getchar();
	return 0;
}

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

#include <stdio.h>
#include "lock.c"

int main(){
	char filepath[] = "./test";
	int fd = open(filepath, O_WRONLY);
	lock_set(fd, F_WRLCK);
	
	getchar();
	return 0;
}