嵌入式Linux：文件I/O和标准I/O库

美男子玩编程 | 2024-05-30 10:57:42 阅读：797

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文件 I/O （Input/Output）和标准 I/O 库是用于在 C 语言中进行文件操作的两种不同的方法。

1文件I/O

文 I/O（Input/Output）是指程序与文件之间进行数据交换的过程。在计算机编程中，文件 I/O 是通过读取和写入文件来实现数据的输入和输出操作。文件 I/O 主要涉及打开文件、读取文件内容、写入文件内容和关闭文件等操作。

常见文件 I/O 操作包括使用系统调用（如 open()、read()、write()、close()）来进行文件操作。通过文件 I/O，程序可以从文件中读取数据，对数据进行处理，然后将结果写入文件中，实现数据的持久化存储和处理。

在Linux系统中，一切皆文件是其核心设计理念之一，因此文件I/O操作在Linux系统中显得尤为重要。

1.1、文件描述符

文件描述符是操作系统中用于标识打开文件的整数值。它是进程与文件之间的桥梁，允许进程对文件进行读取、写入和其他操作。在Linux系统中，每个打开的文件都与一个文件描述符相关联，这个文件描述符是一个非负整数，通常是从0开始递增的。

文件描述符直接与操作系统的文件表项相关联，是操作系统提供的抽象。

举例来说，假设我们有一个C语言程序，打开了一个名为“example.txt”的文本文件进行读取。在这个程序中，文件描述符是用于表示这个打开的文件的整数值。当程序调用open函数打开文件时，操作系统会分配一个文件描述符，并将其返回给程序。程序可以使用这个文件描述符执行读取操作，如读取文件内容并将其输出到终端上。

#include#include#include

int main() {    int fd; // 文件描述符    char buf[1024]; // 用于存储读取的数据
    // 打开文件 example.txt    fd = open("example.txt", O_RDONLY);    if (fd == -1) {        perror("open");        return 1;    }
    // 读取文件内容并输出到终端上    ssize_t bytes_read;    while ((bytes_read = read(fd, buf, sizeof(buf))) > 0) {        write(STDOUT_FILENO, buf, bytes_read);    }
    // 关闭文件    close(fd);
    return 0;}

在这个示例中，open函数打开文件example.txt并返回一个文件描述符，然后read函数使用这个文件描述符来从文件中读取数据。最后，close函数关闭文件，并释放对应的文件描述符。

1.2、open打开文件

在Linux系统中，操作文件需要先打开它以获取文件描述符，然后进行读写或其他操作，最后关闭文件。open函数可用于打开现有文件或创建新文件。函数原型如下所示：

#include#include#include
int open(const char *pathname, int flags);int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

函数的参数和返回值含义如下：

pathname：字符串类型，用于标识需要打开或创建的文件。它可以包含路径信息，可以是绝对路径或相对路径，例如："./src_file"（当前目录下的 src_file 文件）或 "/home/dengtao/hello.c"。如果 pathname 是一个符号链接，open 函数会对其进行解引用。
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他文件相关标志。这些标志使用宏定义进行描述，并都是常量。open 函数提供了丰富的标志选项，我们可以单独使用某一个标志，也可以通过位或运算（|）将多个标志进行组合。
mode：用于指定新建文件的访问权限，仅在flags参数中包含O_CREAT或O_TMPFILE标志时有效。在Linux系统中，权限对于文件是一个重要的属性。我们可以使用touch命令在Linux系统中创建一个文件，此时文件会有默认的权限。如果需要修改文件权限，可以使用chmod命令进行修改。例如，在Linux系统下，我们可以使用ls -l命令查看文件对应的权限。
返回值：成功将返回文件描述符，文件描述符是一个非负整数；失败将返回-1。

open函数的flags参数用于指定打开文件时的行为和权限。下面是一些常用的flags参数值：

O_RDONLY：只读方式打开文件。
O_WRONLY：只写方式打开文件。
O_RDWR：读写方式打开文件。
O_CREAT：如果文件不存在，则创建文件。
O_EXCL：与O_CREAT一同使用，如果文件已经存在，则返回错误。
O_TRUNC：如果文件存在且为只写或读写打开，则将其长度截断为0。
O_APPEND：追加方式打开文件，在写入数据时追加到文件末尾。
O_NONBLOCK：非阻塞方式打开文件，在没有数据可读取时不阻塞。
O_SYNC：同步写入方式打开文件，对写入文件的每个操作进行同步。
O_DIRECT：直接IO方式打开文件，绕过系统缓存，数据直接读写到磁盘。
O_TMPFILE：创建一个临时文件，文件在关闭时自动删除。

open函数的常用的mode参数：

S_IRUSR：文件所有者读权限。
S_IWUSR：文件所有者写权限。
S_IXUSR：文件所有者执行权限。
S_IRGRP：文件组用户读权限。
S_IWGRP：文件组用户写权限。
S_IXGRP：文件组用户执行权限。
S_IROTH：其他用户读权限。
S_IWOTH：其他用户写权限。
S_IXOTH：其他用户执行权限。

在应用程序中使用 open 函数时，需要包含 3 个头文件“#include”、“#include”、“#include”。

下面是一个使用 open 函数的简单示例：

#include#include#include#include
int main() {    const char *filename = "example.txt";    int fd;
    // 使用 open 函数打开文件，如果文件不存在，则创建    fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);    if (fd == -1) {        perror("open");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 向文件写入内容    if (write(fd, "Hello, World!", 13) == -1) {        perror("write");        close(fd);        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 关闭文件    if (close(fd) == -1) {        perror("close");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    printf("File created and written successfully.n");
    return 0;}

在这个示例中：

我们首先定义了一个文件名 example.txt。
使用 open 函数打开文件，使用 O_WRONLY 标志表示以只写方式打开文件，O_CREAT 标志表示如果文件不存在则创建，O_TRUNC 标志表示如果文件存在则将其截断为空文件，最后一个参数 S_IRUSR | S_IWUSR 指定了新创建文件的权限为用户可读可写。
如果 open 函数调用失败，会打印错误消息并退出程序。
使用 write 函数向文件中写入内容。
最后使用 close 函数关闭文件。

1.3、write写文件

write 函数用于将数据写入文件。其函数原型如下：

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

函数的参数和返回值含义如下：

fd：文件描述符，代表要写入数据的文件。需要将要写入数据的文件对应的文件描述符传递给 write 函数。
buf：指定要写入数据的缓冲区。
count：指定要写入的字节数。
返回值：成功时返回写入的字节数（0 表示未写入任何字节）。如果返回值小于 count 参数，这不一定是错误，例如磁盘空间已满可能导致未写入所有字节。如果写入出错，则返回 -1。

对于普通文件，无论是读取还是写入，一个关键问题是确定从文件的哪个位置开始进行操作。即所谓的I/O操作位置偏移量。读写操作都从文件的当前位置偏移量开始。默认情况下，当前位置偏移量通常是0，即指向文件的起始位置。随着read、write函数的调用，当前位置偏移量也会相应移动。例如，如果当前位置偏移量为1000字节，调用write()写入或read()读取500字节后，当前位置偏移量将移动到1500字节处。

使用 write 函数需要先包含 unistd.h 头文件。

下面是一个示例代码，将字符串写入文件：

#include#include#include
int main() {    int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);    if (fd == -1) {        perror("open");        return 1;    }
    const char *message = "Hello, world!";    ssize_t bytes_written = write(fd, message, strlen(message));    if (bytes_written == -1) {        perror("write");        close(fd);        return 1;    }
    close(fd);    printf("Data written successfully.n");    return 0;}

在此示例中，我们首先打开了一个文件 example.txt 以供写入，然后使用 write 函数将字符串 "Hello, world!" 写入文件中。

1.4、read读文件

调用 read 函数可从打开的文件中读取数据，其函数原型如下所示：

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

函数参数和返回值含义如下：

fd：文件描述符，用于标识要读取的文件。
buf：用于存储读取数据的缓冲区。
count：需要读取的字节数。
返回值：如果读取成功，返回读取到的字节数。实际读取到的字节数可能小于请求的字节数，也可能为0，例如当文件已到达末尾时。

使用 read 函数需要先包含 unistd.h 头文件。

例如，下面是一个简单的示例，从文件中读取数据：

#include#include#include#include
#define BUF_SIZE 1024
int main() {    int fd;    ssize_t bytes_read;    char buffer[BUF_SIZE];
    // 打开文件    fd = open("example.txt", O_RDONLY);    if (fd == -1) {        perror("open");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 读取文件内容    bytes_read = read(fd, buffer, BUF_SIZE);    if (bytes_read == -1) {        perror("read");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 输出读取的内容    write(STDOUT_FILENO, buffer, bytes_read);
    // 关闭文件    close(fd);
    return 0;}

这个示例打开一个名为example.txt的文件，从中读取数据并将其写入标准输出。

1.5、close关闭文件

close 函数用于关闭一个已经打开的文件描述符，释放对应的资源。在Linux系统中，文件描述符是有限资源，因此在不再需要使用文件时，应该及时关闭，以释放资源并避免资源泄漏。

函数原型如下所示：

#include
int close(int fd);

函数参数和返回值含义如下：

fd：文件描述符，需要关闭的文件所对应的文件描述符。
返回值：如果成功返回 0，如果失败则返回-1。

使用 close 函数需要先包含头文件。

以下是一个简单的示例，演示如何使用 close 函数关闭文件：

#include#include#include#include
int main() {    // 打开一个文件，获取文件描述符    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);    if (fd == -1) {        perror("open");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 关闭文件    if (close(fd) == -1) {        perror("close");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    printf("File closed successfully.n");
    return 0;}

在这个例子中，首先通过 open 函数打开了一个文件，然后使用 close 函数关闭了文件描述符。perror 函数用于打印出发生错误的详细信息。

除了使用 close 函数显式关闭文件之外，在 Linux 系统中，当一个进程终止时，内核会自动关闭它打开的所有文件。这意味着如果一个程序在退出时没有关闭已打开的文件，内核会代为关闭这些文件。许多程序都依赖于这一特性，因此没有显式地使用 close 函数来关闭文件。

然而，显式关闭不再需要的文件描述符通常是良好的编程习惯。这样做可以提高代码的可读性和可靠性，并确保在后续修改时代码的行为符合预期。此外，释放不再需要的文件描述符可以有效地管理有限的系统资源。

标准I/O库

标准I/O库是C语言中用于进行输入和输出操作的标准库之一。它提供了一组函数和数据结构，用于与文件、终端设备、管道等进行交互，使得程序可以方便地进行输入和输出操作，而无需直接操作文件描述符。

标准I/O库函数构建在文件I/O系统调用（如 open()、read()、write()、lseek()、close() 等）之上。例如，fopen() 利用 open() 系统调用打开文件，fread() 利用 read() 系统调用读取文件，fwrite() 利用 write() 系统调用写入文件等。

尽管标准I/O和文件I/O都是C语言函数，但它们有明显区别：

标准 I/O 是标准 C 库函数，而文件 I/O 是 Linux 系统调用；
标准 I/O 是文件 I/O 的封装，实际上调用文件 I/O 完成操作；
可移植性方面，标准 I/O 更优，因为不同操作系统的系统调用接口不同，而标准 I/O 接口几乎相同；
在性能和效率方面，标准 I/O 由于维护自己的缓冲区，性能更高，而文件 I/O 在用户空间无缓存。

标准I/O库通常包含在C标准库中，其函数和数据结构被定义在头文件中。一些常用的标准I/O函数包括fopen、fclose、fread、fwrite、fprintf、fscanf等。所以使用时候需要在程序源码中包含头文件。

标准I/O库的主要特点包括：

缓冲机制：标准I/O库通常使用缓冲区来提高性能。例如，在输出时，数据首先写入到缓冲区，然后在适当的时机才会被刷新到实际的输出设备上，从而减少了系统调用的次数，提高了效率。
格式化输入输出：标准I/O库提供了格式化输入输出的功能，例如printf和scanf函数允许以特定格式输出和输入数据，使得数据的处理更加方便。
文件操作：标准I/O库提供了一系列函数用于文件的打开、关闭、读取、写入等操作，例如fopen、fclose、fread、fwrite等。
错误处理：标准I/O库提供了一套错误处理机制，允许程序员检测和处理输入输出操作中可能出现的错误情况。

使用标准I/O库可以使得程序更加可移植，因为它们提供了对底层系统调用的封装，使得程序不依赖于特定的操作系统或文件系统。因此，标准I/O库是C语言中进行文件操作和输入输出的主要方式之一。

2.1、FILE指针

标准I/O库函数操作围绕FILE指针展开。调用标准I/O库函数打开或创建文件时，返回一个指向FILE类型对象的指针（FILE *），该指针与被打开或创建的文件相关联，用于后续的标准I/O操作。因此，FILE指针在标准I/O库中扮演了与文件描述符类似的角色，但用于更高级别的操作。

FILE结构体包含了标准I/O库函数所需的所有文件管理信息，如文件描述符、文件缓冲区指针、缓冲区长度、当前缓冲区字节数以及出错标志等。

当使用标准I/O库函数打开或创建文件时，会返回一个指向FILE类型对象的指针，该指针与被打开或创建的文件相关联。下面是一个简单的示例：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;
    // 使用标准I/O库函数打开文件    file_ptr = fopen("example.txt", "w");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 使用 FILE 指针进行写入操作    fprintf(file_ptr, "Hello, world!n");
    // 关闭文件    fclose(file_ptr);
    return 0;}

在这个示例中，file_ptr指针与文件相关联，用于后续的标准I/O操作（写入操作）。通过FILE指针，我们可以方便地进行文件的读写操作，而不必直接操作文件描述符和底层的文件系统。

2.2、fopen打开文件

fopen() 是C语言标准库中用于打开文件的函数之一。它的原型如下：

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

函数参数和返回值含义如下：

path：参数 path 是一个指向文件路径的指针，可以是文件的绝对路径或相对路径。这个路径指定了要打开或创建的文件的位置和名称。
mode：参数 mode 是一个字符串，指定了对文件的读写权限。它描述了打开或创建文件时所需的操作类型。常见的模式包括：

"r"：只读模式，用于打开一个已存在的文本文件，文件必须存在。
"w"：写入模式，用于创建一个新的空文本文件，如果文件已存在，则删除其内容。
"a"：追加模式，用于打开一个文本文件以便写入，如果文件不存在，则创建文件，文件指针被放在文件的末尾。
"r+"：读写模式，用于打开一个文本文件用于读取和写入，文件必须存在。
"w+"：读写模式，用于创建一个新的空文本文件用于读取和写入，如果文件已存在，则删除其内容。
"a+"：读写模式，用于打开一个文本文件用于读取和写入，如果文件不存在，则创建文件，文件指针被放在文件的末尾。

返回值：函数调用成功时，返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），该指针与打开或创建的文件相关联。后续的标准 I/O 操作将围绕这个 FILE 指针进行。如果函数调用失败，则返回 NULL，并设置 errno 以指示错误原因。

以下是一个简单的示例，演示了如何使用 fopen() 打开文件：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;
    // 以只读模式打开文件    file_ptr = fopen("example.txt", "r");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 在这里可以进行文件读取操作
    // 关闭文件    fclose(file_ptr);
    return 0;}

在这个示例中，我们尝试以只读模式打开名为 example.txt 的文件。如果文件打开失败，则会打印一条消息并退出程序。否则，我们可以在之后的代码中对文件进行读取操作。最后，我们使用 fclose() 函数关闭文件，释放资源。

2.3、fwrite写文件

fwrite() 是C语言标准库中用于向文件写入数据的函数之一。它的原型如下：

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

函数参数和返回值含义如下：

ptr：参数 ptr 是一个指向缓冲区的指针，该缓冲区中存储了要写入到文件中的数据。函数将会把这个缓冲区中的数据写入到文件中。
size：参数 size 指定了每个数据项的字节大小，即每次写入的数据的大小。
nmemb：参数 nmemb 指定了写入的数据项的个数，即要写入到文件中的数据项的数量。
stream：参数 stream 是一个指向 FILE 结构的指针，它标识了要写入数据的文件。
返回值：调用成功时，fwrite() 函数返回实际成功写入到文件中的数据项的数目。如果发生错误，则返回值可能小于参数 nmemb（或者等于 0）。

fwrite() 函数返回成功写入的数据项数目，如果返回值与 nmemb 不同，则表示写入出现了错误。

以下是一个简单的示例，演示了如何使用 fwrite() 向文件写入数据：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;    char buffer[] = "Hello, world!";
    // 打开文件以便写入    file_ptr = fopen("example.txt", "w");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 向文件写入数据    size_t num_written = fwrite(buffer, sizeof(char), sizeof(buffer), file_ptr);    if (num_written != sizeof(buffer)) {        printf("Failed to write to file.n");        fclose(file_ptr);        return 1;    }
    // 关闭文件    fclose(file_ptr);
    return 0;}

在这个示例中，我们向文件 "example.txt" 写入了字符串 "Hello, world!"。首先我们打开文件以便写入，然后使用 fwrite() 函数将数据写入文件，最后关闭文件。

2.4、fread读文件

fread() 是C语言标准库中用于从文件读取数据的函数之一。它的原型如下：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

函数参数和返回值含义如下：

ptr：fread() 函数将读取到的数据存放在参数 ptr 指向的缓冲区中。这个缓冲区是用来存储从文件中读取的数据的。
size：fread() 函数从文件读取 nmemb 个数据项，每个数据项的大小为 size 个字节。因此，总共读取的数据大小为 nmemb * size 个字节。
nmemb：参数 nmemb 指定了要读取的数据项的个数。
stream：参数 stream 是一个指向 FILE 结构的指针，它标识了要从中读取数据的文件。
返回值：调用成功时，fread() 函数返回成功读取到的数据项的数目。如果发生错误或到达文件末尾，则返回值可能小于参数 nmemb。由于 fread() 无法区分文件结尾和错误，返回值小于 nmemb 时，可以使用 ferror() 或 feof() 函数来进一步判断是发生了错误还是已经到达了文件末尾。

fread() 函数返回成功读取的数据项数目，如果返回值与 nmemb 不同，则表示读取出现了错误。

以下是一个简单的示例，演示了如何使用 fread() 从文件中读取数据：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;    char buffer[100]; // 缓冲区用于存储读取的数据
    // 打开文件以便读取    file_ptr = fopen("example.txt", "r");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 从文件读取数据    size_t num_read = fread(buffer, sizeof(char), sizeof(buffer), file_ptr);    if (num_read == 0) {        printf("Failed to read from file.n");        fclose(file_ptr);        return 1;    }
    // 输出读取的数据    printf("Read from file: %sn", buffer);
    // 关闭文件    fclose(file_ptr);
    return 0;}

在这个示例中，我们打开了一个名为 "example.txt" 的文件以便读取。我们使用 fread() 函数从文件中读取数据，并将其存储在名为 buffer 的缓冲区中。最后，我们打印出读取到的数据，并关闭文件。

2.5、fclose关闭文件

fclose() 是C语言标准库中用于关闭文件的函数之一。它的原型如下：

int fclose(FILE *stream);

函数参数和返回值含义如下：

stream：指向 FILE 结构的指针，标识要关闭的文件。
返回值：调用成功返回 0；失败将返回 EOF（也就是-1）。

以下是一个示例，演示了如何使用 fclose() 关闭文件：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;
    // 打开文件以便读取    file_ptr = fopen("example.txt", "r");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 在这里可以进行文件读取操作...
    // 关闭文件    if (fclose(file_ptr) != 0) {        printf("Failed to close file.n");        return 1;    }
    return 0;}

在这个示例中，我们打开了一个名为 "example.txt" 的文件以便读取。在文件读取操作完成后，我们使用 fclose() 函数关闭了文件。如果关闭文件失败，则会打印一条错误消息并退出程序。

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