Linux 文件操作——系统调用和标准I/O库

一、什么是文件

在讲述文件操作之前，我们首先要知道什么是文件。看到这个问题你可能会感觉到可笑，因为对于用过计算机的人来说，文件是最简单不过的概念了，例如一个文本是一个文件，一个work文档是一个文件等。但是在Linux中，文件的概念还远不止于这些，在Linux中，一切（或几乎一切）都是文件。文件包括很多的内容，例如：大家知道的普通文件是文件，目录也是一个文件，设备也是一个文件，管道也是一个文件等等。对于目录、设备这些的操作也可以完全等同于对纯文本文件的操作，这也是Linux非常成功的特性之一吧。

二、系统调用

1、文件描述符

文件描述符是一些小数值，你可以通过它们访问的打开的文件设备，而有多少文件描述符可用取决于系统的配置情况。但是当一个程序开始运行时，它一般会有3个已经打开的文件描述符，就是

0：标准输入

1：标准输出

2：标准错误

那些数学（即0、1、2）就是文件描述符，因为在Linux上一切都是文件，所以标准输入（stdin），标准输出（stdout）和标准错误（stderr）也可看作文件来对待。

2、系统调用常用函数

A、open系统调用

open函数的原型为：

int open(const char *path, int oflags);

int open(const char *path, int oflags, mode_t mode);

path，是包括路径的完整文件名，oflags是文件访问模式（即是什么方式打开文件，只读、只写还是可读并可写等），mode用于设定文件的访问权限。具体的可选参数，可以自己查看手册页，这里不一一详述。

open建立了一条到文件或设备的访问路径，如果调用成功，返回一个可以被read、write等其他系统调用的函数使用的文件描述符，而且这个文件描述是唯一的，不与任何其他运行中的进程共享，在失败时返回-1，并设置全局变量errno来指明失明的原因。

B、write系统调用

write函数的原型为：

size_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbytes);

write的作用是把缓冲区buf的前nbytes个字节写入到文件描述符fildes关联的文件中，返回实际写入的字节数。返回0表示没有写入任何数据，返回-1表示调用中出现了错误，错误代码保存在errno中。

注：fildes一定要是在open调用中返回的创建的文件描述符，或者是0、1、2等标准输入、输出或标准错误。

C、read系统调用

read函数的原型为：

size_t read(int fildes, void *buf, size_t nbytes);

read系统调用的作用是从与文件描述符相关的文件里读入nbytes个字节的数据，并把它们放到数据区buf中，返回读入的字节数，失败时返回-1。

D、close系统调用

close调用的函数原型为：

int close(int fildes);

close函数的作用是终于文件描述符fildes一其对应的文件之间的关联。

E、例子

说了这么多，我就给出一个完整的例子吧，就是从一个数据文件（里面有1M个‘0’字符）逐个复制到别一个文件。文件名为copy_system.c，代码如下：

 

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

int main()
{
	char c = '\0';
	int in = -1, out = -1;
	
	//以只读方式打开数据文件
    in = open("Data.txt", O_RDONLY);
    //以只写方式创建文件，如果文件不存在就创建一个新的文件
    //文件属主具有读和写的权限
	out = open("copy_system.out.txt", O_WRONLY|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR);
	while(read(in, &c, 1) == 1)//读一个字节的数据
		write(out, &c, 1);//写一个字节的数据

    //关闭文件描述符
    close(in);
    close(out);
    return 0;
}

三、标准I/O库

有过C编程经历的人都会知道stdio头文件，它就是C语言的标准IO库，在标准IO库中，与底层文件描述符相对应的是流，它被实现为指向结构FILE的指针。IO库的函数有很多，为了与前面的内容对应，这里还是只讲与前面四个函数相对应的函数，其他的函数，你可以查一查手册页。

A、fopen库函数

fopen库函数的原型为：

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

它与底层系统调用open类似，成功时返回一个非空指针。失败时返回NULL。

B、fread库函数

fread库函数的原型为：

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

它与底层调用read相似，其作用是从stream读取nitems个长度为size的数据到ptr所指向的缓冲区中。返回值是成功读到缓冲区中的记录个数。

注：stream为用fopen函数返回的文件结构指针。

C、fwrite库函数

fwrite库函数的原型：

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

它与底层调用write相似，其作用是从ptr指向的缓冲区中读取nitems个长度为size到数据，并把它们写到stream所对应的文件中。

D、fclose库函数

fclose库函数的原型为：

int fclose(FILE *stream);

它与系统调用close相似，其作用是关闭指定的文件流stream。

例子

同样地，下面是前一个例子的另一个实现版本，它实现的功能与先前的例子一样，不过使用的是标准I/O库，而不是系统调用，文件名为copy_stdio.c代码如下：

 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	int c = 0;
	FILE *pfin = NULL;
	FILE *pfout = NULL;

	//以只读方式打开数据文件
    pfin = fopen("Data.txt", "r");
    //以只写方式打开复制的新文件
	pfout = fopen("copy_stdio.out.txt", "w");
	
	while(fread(&c, sizeof(char), 1, pfin))//读数据
		fwrite(&c, sizeof(char), 1, pfout);//写数据
    //关闭文件流
	fclose(pfin);
	fclose(pfout);
	return 0;
}

 

当然这里你也可以用其他的库函数来完成工作,如：用fgetc代替fread，用fputc代替fwrite等。

四、文件描述符和文件流的关系

每个文件流都对应一个底层文件描述符，你可以把底层输入输出操作与高层文件流操作混合使用，但是一般不要这样做，因为数据缓冲的后果难以预料。我们可以通过调用fileno函数（原型为：int fileno(FILE *stream))来确定文件流使用的底层文件描述符，它返回指向文件流的文件描述符。相反地，你可以通过调用函数fdopen（原型为FILE* fdopen(int fildes, const char* mode))来在一个已经打开的文件描述符上创建一个新的文件流，mode参数与fopen函数的完全一样，同时它必须符合该文件在最初打开时所设定的访问模式。

但是在Linux下的编程，系统调用用得比较多一些，因为很多时候系统调用能提供更多的灵活性和更加强大的功能，有些操作是一定要使用系统调用，例如，创建文件读写锁时就一定要使用系统调用。

五、系统调用与标准I/O的性能比较

就拿本例子中的代码来比较，两个例子编译后生成的可执行文件的文件名分别为：copy_system.exe和copy_stdio.exe，在Linux下用time命令来测试其运行时间如下：

从测试结果可以看出，系统调用的效率比库函数要低很多。为什么呢？

因为使用系统调用会影响系统的性能。与函数调用相比，系统调用时，Linux必须从运行用户代码切换到执行内核代码，然后再返回用户代码，所以系统调用的开销要比普通函数调用大一些。然而也是有办法减少这种开销的，就是在程序中尽量减少系统调用的的次数，并且让每次系统调用完成尽量多的工作。

而库函数为什么做同样的事情效率却会高这么多呢？这是因为库函数在数据满足数据块长度（或buffer长度）要求时才安排执行底层系统调用，从而减少了系统调用的次数，也让每次的系统调用做了尽量多的事情，所以效率就比较高。

六、提高系统调用的简单方法举例

用回每一个例子（coy_system.c）的代码，略加修改就能提高我们的效率，例如一次读1024个字节，修改后保存文件名为copy_system2.c，代码如下：

 

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

int main()
{
	char buff[1024];
	int in = -1, out = -1;
	int nread = 0;

	in = open("Data.txt", O_RDONLY);
	out = open("copy_system2.out.txt", O_WRONLY|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR);
    //一次读写1024个字节
	while((nread = read(in, buff, sizeof(buff))) > 0)
		write(out, buff, nread);

	close(in);
	close(out);
	return 0;
}

生成的可执行文件为copy_system2.exe，使用time命令查看其执行时间，如下：

比较下可以看出，其性能改善了一个数量级，其效率甚至比用库函数一个一个字符复制来来得高效，至少在我的机子上是这样。