深入解析Linux文件接口，掌握文件操作技能 (linux文件接口)
Linux作为一种主流的操作系统，广泛应用于各种领域，其中文件操作是Linux系统中经常使用的重要功能之一。了解和掌握Linux文件接口，能够更加方便、高效地进行文件读写和管理操作。在本文中，我们将，从而让读者更加熟练地使用Linux系统。
一、 Linux 文件接口概述
在Linux系统中，内核对文件的操作通过系统调用（syscall）来实现，文件接口便是系统调用的。文件接口定义的系统调用提供了对文件的打开、读写、关闭、创建、删除、重命名等操作。这些系统调用通过C库中的封装函数达到了用户空间的程序调用。
常用的文件接口包括：
1. open：打开一个文件
2. close：关闭一个文件
3. read：从一个文件中读取数据
4. write：往一个文件中写入数据
5. lseek：移动文件读写位置
6. ioctl：设备控制
7. mkdir：创建目录
8. rmdir：删除目录
9. rename：重命名文件名
10. unlink：删除文件
11. access：检查文件访问权限
12. stat：获取文件属性
13. fcntl：文件控制操作
14. chown：修改文件拥有者
15. chmod：修改文件权限
16. exec：启动新进程
二、 文件描述符处理
在Linux系统中，系统调用返回的句柄被称为文件描述符，我们需要对文件描述符进行处理。
1. 打开文件
我们通过调用open函数来打开文件，并获得文件描述符。 open的常用参数如下：
“`C
#include
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
//pathname：文件名，可以是相对路径或绝对路径
//flags：文件打开方式，只读、只写、读写等
//mode：指定该文件的权限，当文件不存在时，会创建该文件并设置该权限
“`
2. 关闭文件
文件使用完毕后，需要关闭文件，即释放文件句柄。关闭文件使用close函数：
“`C
#include
int close(int fd);
“`
当我们使用open函数打开一个文件时，会返回该文件的文件描述符fd。因此，当我们对文件操作结束后，应该使用close函数关闭该文件。
3. 文件读写
Linux文件操作中最频繁的操作，是从文件中读取数据和向文件中写入数据。
（1）读取数据
使用read函数从文件中读取数据，函数定义如下：
“`C
#include
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
//fd：文件描述符
//buf：保存读取数据的缓存区
//count：要读取的字节数
//返回值：成功读取的字节数，失败返回-1
“`
（2）写入数据
使用write函数从数据写入文件，函数定义如下：
“`C
#include
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
//fd：文件描述符
//buf：要写入的数据缓存区
//count：要写入的字节数
//返回值：成功写入的字节数，失败返回-1
“`
4. 文件读写位置控制
在文件读写过程中，我们需要控制读写的位置，lseek函数提供了这个功能。lseek函数定义如下：
“`C
#include
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
//fd：文件描述符
//offset：偏移量
//whence：基准位置，SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前位置）、SEEK_END（文件结尾）
//返回值：如果成功，则返回文件指针相对于文件首地址 SEEK_SET 的位移量，否则返回-1
“`
5. 文件属性操作
Linux系统中通过stat函数可以获取文件的属性信息，包括文件的大小、访问权限、修改时间等。函数定义如下：
“`C
#include
#include
#include
int stat(const char *path, struct stat *buf);
//path：文件路径
//buf：存放文件属性的结构体指针
//返回值：成功返回0，出错返回-1
“`
此外，还可以使用chmod函数修改文件权限、chown函数修改文件的所有者。
三、 文件操作实例
我们以实际案例，使用Linux文件操作接口实现文件读写和操作。代码如下：
“`C++
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define BUFFER_SIZE (1024)
int mn(int argc, char* argv[])
{
int ret;
int fd;
char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
const char* filename_in = “input.txt”;
const char* filename_out = “output.txt”;
struct stat filestat;
// 打开一个文件，获取文件描述符fd
fd = open(filename_in, O_RDON);
if(fd
{
fprintf(stderr, “open %s fled: %s\n”, filename_in, strerror(errno));
return -1;
}
//获取文件属性，文件大小等
ret = stat(filename_in, &filestat);
if (ret
{
fprintf(stderr, “Fled to get file attribute, errno:%d, strerror:%s\n”, errno, strerror(errno));
close(fd);
return -1;
}
// 打开一个文件，获取文件描述符fd
int fd_out = open(filename_out, O_WRON|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);
if(fd_out
{
fprintf(stderr, “open %s fled: %s\n”, filename_in, strerror(errno));
close(fd);
return -1;
}
//读取文件
while(true)
{
ret = read(fd, buffer, BUFFER_SIZE-1);
if(ret == 0)
{
break;
}
if(ret
{
fprintf(stderr, “Fled to read data, errno:%d, strerror:%s\n”, errno, strerror(errno));
break;
}
//把读取到的数据写到另一个文件中
ret = write(fd_out, buffer, ret);
if(ret
{
fprintf(stderr, “Fled to write data to file, errno:%d, strerror:%s\n”, errno, strerror(errno));
break;
}
}
close(fd);
close(fd_out);
return 0;
}
“`
该程序可以将文件input.txt中的内容读取出来，并写入到文件output.txt中。程序先通过open函数打开input.txt文件，打开成功后，再通过read函数循环读取文件内容，循环结束后，关闭input.txt文件，并以写入方式打开文件output.txt，通过write函数将读取到的内容写入该文件，在完成写入后关闭output.txt文件。
四、
相关问题拓展阅读：
linux文件系统基础知识
linux文件系统基础知识汇总
1、linux文件系统分配策略
块分配( block allocation ) 和 扩展分配 ( extent allocation )
块分配：磁盘上的文件块根据需要分配给文件，避免了存储空间的浪升团费。但当文件扩充时，会造成文件中文件块的不连续，从而导致过多的磁盘寻道时间。
每一次文件扩展时，块分配算法就需要写入文件块的结构信息，也就是 meta-dada 。meta-data总是与文件一起写入存储设备，改变文件的操作要等到所有meta-data的操作都完成后才能进行，
因此，meta-data的操作会明显降低整个文件系统的性能。
扩展分配： 文件创建时，一次性分配一连串连续的块，当文件扩展时，也一次分配很多块。meta-data在文件创建时写入，当文件大小没有超过所有已分配文件块大小时，就不用写入meta-data，直到需要再分配文件块的时候。
扩展分配采用成组分配块的方式，减少了SCSI设备写数据的时间，在读取顺序文件时具有良好的性能，但随机读取文件时，就和块分配类似了。
文件块的组或块簇 ( block cluster) 的大小是在编译时确定的。簇的大小对文件系统的性能有很大的影响。
注： meta-data 元信息：和文件有关的信息，比如权限、所有者以及创建、访问或更改时间等。
2、文件的记录形式
linux文家系统使用索引节点(inode)来记录文件信息。索引节点是一种数据结构，它包含了一个文件的长度、创建及修改时间、权限、所属关系、磁盘中的位置等信息。
一个文件系统维护了一个索引节点的数组，每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一的元素对应。每个索引节点在数组中的索引号，称为索引节点号。
linux文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中，所以，目录只是将文件的名称和它的索引节点号结合在一起的一张表，目录中每一对文件名称和索引节点号称为一个连接。
对于一个文件来说，有一个索引节点号与之对应;而对于一个索引节点号，却可以对应多个文件名。
连接分为软连接和硬连接，其中软吵信橘连接又叫符号连接。
硬连接： 原文件名和连接文件名都指向相同的物理地址。目录不能有硬连接;硬连接不能跨文件系统(不能跨越不同的分区)，文件在磁盘中只有一个拷贝。
由于删除文件要在同一个索引节点属于唯一的连接时才能成功，因此硬连接可以防止不必要的误删除。
软连接： 用 ln -s 命令建立文件的符号连接。符号连接是linux特殊文件的.一种，作为一个文件，它的数据是它所连接的文件的路径名。坦岁没有防止误删除的功能。
3、文件系统类型：
ext2 ： 早期linux中常用的文件系统
ext3 ： ext2的升级版，带日志功能
RAMFS ： 内存文件系统，速度很快
NFS ： 网络文件系统，由SUN发明，主要用于远程文件共享
MS-DOS ： MS-DOS文件系统
VFAT ： Windows 95/98 操作系统采用的文件系统
FAT ： Windows XP 操作系统采用的文件系统
NTFS ： Windows NT/XP 操作系统采用的文件系统
HPFS ： OS/2 操作系统采用的文件系统
PROC : 虚拟的进程文件系统
ISO9660 ： 大部分光盘所采用的文件系统
ufsSun : OS 所采用的文件系统
NCPFS ： Novell 服务器所采用的文件系统
BFS ： Samba 的共享文件系统
XFS ： 由SGI开发的先进的日志文件系统，支持超大容量文件
JFS ：IBM的AIX使用的日志文件系统
ReiserFS : 基于平衡树结构的文件系统
udf: 可擦写的数据光盘文件系统
4、虚拟文件系统VFS
linux支持的所有文件系统称为逻辑文件系统，而linux在传统的逻辑文件系统的基础上增加料一个蓄念文件系统( Vitual File System ,VFS) 的接口层。
虚拟文件系统(VFS) 位于文件系统的最上层，管理各种逻辑文件系统，并可以屏蔽各种逻辑文件系统之间的差异，提供统一文件和设备的访问接口。
5、文件的逻辑结构
文件的逻辑结构可分为两大类： 字节流式的无结构文件 和 记录式的有结构文件。
由字节流(字节序列)组成的文件是一种无结构文件或流式文件 ，不考虑文件内部的逻辑结构，只是简单地看作是一系列字节的序列，便于在文件的任意位置添加内容。
由记录组成的文件称为记录式文件 ，记录是这种文件类型的基本信息单位，记录式文件通用于信息管理。
6、文件类型
普通文件 ： 通常是流式文件
目录文件 ： 用于表示和管理系统中的全部文件
连接文件 ： 用于不同目录下文件的共享
设备文件 ： 包括块设备文件和字符设备文件，块设备文件表示磁盘文件、光盘等，字符设备文件按照字符操作终端、键盘等设备。
管道(FIFO)文件 : 提供进程建通信的一种方式
套接字(socket) 文件： 该文件类型与网络通信有关
7、文件结构： 包括索引节点和数据
索引节点 ： 又称 I 节点，在文件系统结构中，包含有关相应文件的信息的一个记录，这些信息包括文件权限、文件名、文件大小、存放位置、建立日期等。文件系统中所有文件的索引节点保存在索引节点表中。
数据 ： 文件的实际内容。可以是空的，也可以非常大，并且拥有自己的结构。
8、ext2文件系统
ext2文件系统的数据块大小一般为 1024B、2023B 或 4096B
ext2文件系统采用的索引节点(inode)：
索引节点采用了多重索引结构，主要体现在直接指针和3个间接指针。直接指针包含12个直接指针块，它们直接指向包含文件数据的数据块，紧接在后面的3个间接指针是为了适应文件的大小变化而设计的。
e.g： 假设数据块大小为1024B ，利用12个直接指针，可以保存更大为12KB的文件，当文件超过12KB时，则要利用单级间接指针，该指针指向的数据块保存有一组数据块指针，这些指针依次指向包含有实际数据的数据块，
假如每个指针占用4B，则每个单级指针数据块可保存 1024/4=256 个数据指针，因此利用直接指针和单级间接指针可保存 1024*12+1024*256=268 KB的文件。当文件超过268KB时，再利用二级间接指针，直到使用三级间接指针。
利用直接指针、单级间接指针、二级间接指针、三级间接指针可保存的更大文件大小为：
*12+1024*256+1024*256*256+1024*256*256*256=KB，约 16GB
若数据块大小为2023B，指针占4B，则更大文件大小为： 2023*12+2023*512+2023*512*512+2023*512*512*512=268,960,792 KB 约 268GB
若数据块大小为4096B，指针占4B，则更大文件大小为： 4096*12+4096*1024+4096*1024*1024+4096*1024*1024*1024=4,299,165,744 KB ，约 4TB
注： 命令 tune2fs -l /dev/sda5 可查看文件系统
ext2文件系统更大文件名长度： 255个字符
ext2文件系统的缺点：
ext2在写入文件内容的同时并没有同时写入文件meta-data， 其工作顺序是先写入文件的内容，然后等空闲时候才写入文件的meta-data。若发生意外，则文件系统就会处于不一致状态。
在重新启动系统的时候，linux会启动 fsk ( file system check) 的程序，扫描整个文件系统并试图修复，但不提供保证。
9、ext3文件系统：
ext3基于ext2的代码，所以磁盘格式与ext2相同，使用相同的元数据。
ext2文件系统无损转化为ext3文件系统： tune2fs -j /dev/sda6
日志块设备( Journaling block device layer,JBD)完成ext3文件系统日志功能。JBD不是ext3文件系统所特有的，它的设计目标是为了向一个块设备添加日志功能。
当一个文件修改执行时，ext3文件系统代码将通知JBD，称为一个事务(transaction)。发生意外时，日志功能具有的重放功能，能重新执行中断的事务。
日志中的3种数据模式：
)、data=writeback ：不处理任何形式的日志数据，给用户整体上的更高性能
)、data=odered ：只记录元数据日志，但将元数据和数据组成一个单元称为事务(transaction) 。此模式保持所句句的可靠性与文件系统的一致性，性能远低于data=writeback模式，但比data=journal模式快
)、data=journal ：提供完整的数据及元数据日志，所有新数据首先被写入日志，然后才被定位。意外发生过后，日志可以被重放，将数据与元数据带回一致状态。这种模式整体性能最慢，但数据需要从磁盘读取和写入磁盘时却是3种模式中最快的。
ext3文件系统更大文件名长度： 255个字符
ext3文件系统的优点：可用性、数据完整性、速度、兼容性
10、ReiserFS文件系统
ReiserFS文件系统是由Hans Reiser和他领导的开发小组共同开发的，整个文件系统完全是从头设计的，是一个非常优秀的文件系统。也是最早用于Linux的日志文件系统之一。
ReiserFS的特点
先进的日志机制
ReiserFS有先进的日志(Journaling/logging)功能 机制。日志机制保证了在每个实际数据修改之前，相应的日志已经写入硬盘。文件与数据的安全性有了很大提高。
高效的磁盘空间利用
Reiserfs对一些小文件不分配inode。而是将这些文件打包，存放在同一个磁盘分块中。而其它文件系统则为每个小文件分别放置到一个磁盘分块中。
独特的搜寻方式
ReiserFS基于快速平衡树(balanced tree)搜索，平衡树在性能上非常卓越，这是一种非常高效的算法。ReiserFS搜索大量文件时，搜索速度要比ext2快得多。Reiserfs文件 系统使用B*Tree存储文件，而其它文件系统使用B+Tree树。B*Tree查询速度比B+Tree要快很多。Reiserfs在文件定位上速度非常 快。
在实际运用中，ReiserFS 在处理小于 4k 的文件时，比ext2 快 5 倍;带尾文件压缩功能(默认)的ReiserFS 比ext2文件系统多存储6%的数据。
支持海量磁盘
ReiserFS是一个非常优秀的文件系统，一直被用在高端UNIX系统上，可轻松管理上百G的文件系统，ReiserFS文件系统更大支持的文件系统尺寸为16TB。这非常适合企业级应用中。
优异的性能
由于它的高效存储和快速小文件I/O特点，使用ReiserFs文件系统的PC，在启动X窗口系统时，所花的时间要比在同一台机器上使用ext2文 件系统少1/3。另外，ReiserFS文件系统支持单个文件尺寸为4G的文件，这为大型数据库系统在linux上的应用提供了更好的选择。
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