系统调用与库函数，底层文件访问系统调用

系统调用和库函数与部分常见的底层文件访问系统调用

1.系统调用与库函数的区别

　　系统调用是操作系统内核提供的函数，在内核态运行。直接使用系统调用的效率非常低，因为

　　1.使用系统调用会影响系统的性能，在执行系统调用时，操作系统必须从用户态切换到内核态，然后再返回用户态。

频繁的切换会消耗大量的资源（需要保存上下文信息）。所以，系统调用的开销会很大。

2.硬件会限制底层调用一次能读写的数据块大小，例如，磁带机一次能读写10k，如果你的数据量不是10k的倍数，磁

带机仍然以10k为单位卷绕磁带，从而留下空隙。

　　库函数提供了一层对系统调用的封装，使得函数调用更方便，安全以及高效。虽然调用库函数，最终还是要调用系统调用，

但库函数会对系统调用的组织方式要比我们对自己调用方式好的多，很对库函数会对调用的执行进行优化。例如malloc,malloc

的本质也是要调用系统调用才能分配内存，但malloc的实现机制使用了一系列的数据结构来组织和维护申请内存的操作，当然会

比使用者直接调用系统函数高效，安全的多。

2.常见的底层文件系统调用

1.write

　　首先，看一下write的原型

#include <unistd.h>

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

　　系统调用write的作用是将缓冲区buf的前nbyte个字节写入到与文件描述符filedes相关联的文件中。返回值为实际写入的字节数，

如果返回0，表示未写入数据。如果返回-1，表示调用出错，错误代码保存在全局变量errno中。

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    if(write(1,"Here is some data\n",18))
        write(2,"A write error has occurred on file descriptor 1\n",46);
    exit(0);
}

执行./write

Here is some data

　　在write调用中，文件描述符部分设置为1和2的原因是，当一个程序开始运行时，它会默认打开三个文件描述符：

　　0 代表标准输入； 1 代表标准输出；2 代表标准错误。

3.read

　　read的原型

#include <unistd.h>

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

　　系统调用read的作用是从文件描述符fildes相关联的文件中读取nbytes个字节的数据，并将数据放到数据区buf中，返回值为实际读

入的字节数，如果返回值为0,表示未读入任何数据，已到达文件结尾，返回值为-1，表示调用出错。

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    char buffer[128];
    int nread;

    nread = read(0,buffer,128);

    if(nread == -1)
        write(2,"A read error has occurred\n",26);
    if((write(1,buffer,nread)) != nread)
        write(2,"A write error has occurred\n",27);
    exit(0);
}

执行 echo hello there | ./read

hello there

　　echo命令将字符串写入到标准输入中，read函数从标准输入中读入字符串放到buf中，write将buf写入到标准输出中，标准输出

中的内容显示在终端上。

4.open

　　系统调用open用于创建一个新的文件描述符，它的原型如下：

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

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

　　path为文件或设备的名字，oflags为打开文件的动作，主要有

　　O_RDONLY ：只读打开

　　O_WRONLY ：只写打开

　　O_RDWR ：读写方式打开

　　看一个栗子：

#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
    int    fd = open("./myfile",O_RDWR);
    if(fd == -1)
        write(2,"A open error",12);
    else
        write(fd,"A open sucessed\n",16);
　　//printf("%d\n",fd);
    exit(0);
}

执行./open,再执行 cat myfile

A open sucessed

　　可以看到，我们使得fd获得了myfile的文件描述符，这时，可以通过fd来进行对myfile的操作。

　　放开那行注释，可以看到fd的值为3。为什么呢？文件描述的产生是随机的吗？并不是，前面提到过

程序会默认打开三个文件描述符0，1，2。在我们调用open产生新的文件描述符时，系统会检查已存在的

文件描述符，然后新的文件描述符的值为除过已存在的文件描述符的最小整数。通过close系统调用的讲解

我们来进一步了解。

　　open调用可以再oflages参数中包含可选模式的组合：

　　O_APPEND ：以追加的方式写入数据

　　O_TRUNC : 设置文件长度为0，丢弃已有内容

　　O_CREAT ：如果需要，按照参数mode创建文件

　　O_EXCL : 与O_CREAT一起使用，如果文件存在，创建失败。

当我们使用O_CREAT参数来调用open时，要使用有三个参数的open调用。第三个参数指定创建文件的权限。举个栗子

int main()
{
        int fd = open("./myfile2",O_RDWR | O_CREAT | O_EXCL,S_IRUSR | S_IWUSR | S_IWOTH);
    if(fd == -1)
        exit(EXIT_FAILURE);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

执行./open

执行 ll myfile2

-rw-------. 1 zhaozhao zhaozhao 0 3月  29 17:48 myfile2

　　文件被创建，而且主用户读写权限被设置，但我们在程序中还设置了其他用户写权限，被没有产生这个权限。

实际上，创建文件时，open中给出的权限设置受到umask值的限定。

5.close

　　系统调用close可以关闭文件描述符，它的原型为

#include <unistd.h>

int close(int fildes);

　　调用成功返回值为0，出错为-1.看一个栗子

#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
    if(close(1) == -1)
        exit(EXIT_FAILURE);
    int fd = open("./myfile",O_RDWR);

    if(write(1,"A close sucessed\n",16) != 16)
        write(2,"A write error",13);

    printf("%d\n",fd);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

执行./close后，终端无任何显示

执行cat myfile

A close sucessed

结果分析：

　　调用close关闭了1号文件描述符，这是文件描述符1不再代表标准输出，实际上此时文件描述符1不存在

调用open为myfile创建文件描述符，系统会查询此时已存在的文件描述符，此时0，2存在，新的文件描述符

就是1。在上一个讲解open时的例子里面,文件描述符0，1，2存在，所以新的文件描述符为3。如果再调用

open，新的文件描述符会是4。这就是上文所说的很绕口的那句话的意思。然后新的文件描述符为除过已存在的

文件描述符的最下整数。那么printf的结果又是怎么回事呢?实际上,printf执行输出操作，内部调用了write(1,str,n)

操作！！！我们使得文件描述符1成为了myfile的文件描述符，那么printf的结果不再进入标准输出缓冲区，而是进

入文件myfile中。

6.usmak

　　usmak是一个系统变量，也是一条命令，同时它也是一个系统调用函数。

　　作为一个系统变量，它的作用是：当文件被创建时，为文件的访问权限设定一个掩码。它的值为xxxx；umask的

后三位代表用户主，组用户，其他用户的权限，当我们创建文件时，umask对应的位置如果有效，则文件不会拥有该权限

比如，我的umask为0002，那么，我创建一个新文件时，新文件绝不会有其他用户写权限。

　　umask作为一个命令时，可以查看当前系统的umask值，添加 -p选项，后面跟上新的umask值，可以修改umask。

　　作为系统调用时，原型为

#include <sys/stat.h>
     mode_t umask(mode_t cmask);

我们可以再程序中改变umask值，使得它不再影响我们创建新文件时的权限。修改open部分的代码

int main()
{
    umask(0000);
    int fd = open("./myfile2",O_RDWR | O_CREAT | O_EXCL,S_IRUSR | S_IWUSR | S_IWOTH);
    if(fd == -1)
        exit(EXIT_FAILURE);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}