Linux 檔案操作系統呼叫和標準I O庫

一、什麼是檔案

在講述檔案操作之前，我們首先要知道什麼是檔案。看到這個問題你可能會感覺到可笑，因為對於用過計算機的人來說，檔案是最簡單不過的概念了，例如乙個文字是乙個檔案，乙個work文件是乙個檔案等。但是在linux中，檔案的概念還遠不止於這些，在linux中，一切（或幾乎一切）都是檔案。檔案包括很多的內容，例如：大家知道的普通檔案是檔案，目錄也是乙個檔案，裝置也是乙個檔案，管道也是乙個檔案等等。對於目錄、裝置這些的操作也可以完全等同於對純文字檔案的操作，這也是linux非常成功的特性之一吧。

二、系統呼叫

1、檔案描述符

檔案描述符是一些小數值，你可以通過它們訪問的開啟的檔案裝置，而有多少檔案描述符可用取決於系統的配置情況。但是當乙個程式開始執行時，它一般會有3個已經開啟的檔案描述符，就是

0：標準輸入

1：標準輸出

2：標準錯誤

那些數學（即0、1、2）就是檔案描述符，因為在linux上一切都是檔案，所以標準輸入（stdin），標準輸出（stdout）和標準錯誤（stderr）也可看作檔案來對待。

2、系統呼叫常用函式

a、open系統呼叫

open函式的原型為：

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

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

path，是包括路徑的完整檔名，oflags是檔案訪問模式（即是什麼方式開啟檔案，唯讀、只寫還是可讀並可寫等），mode用於設定檔案的訪問許可權。具體的可選引數，可以自己檢視手冊頁，這裡不一一詳述。

open建立了一條到檔案或裝置的訪問路徑，如果呼叫成功，返回乙個可以被read、write等其他系統呼叫的函式使用的檔案描述符，而且這個檔案描述是唯一的，不與任何其他執行中的程序共享，在失敗時返回-1，並設定全域性變數errno來指明失明的原因。

b、write系統呼叫

write函式的原型為：

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

write的作用是把緩衝區buf的前nbytes個位元組寫入到檔案描述符fildes關聯的檔案中，返回實際寫入的位元組數。返回0表示沒有寫入任何資料，返回-1表示呼叫中出現了錯誤，錯誤**儲存在errno中。

注：fildes一定要是在open呼叫中返回的建立的檔案描述符，或者是0、1、2等標準輸入、輸出或標準錯誤。

c、read系統呼叫

read函式的原型為：

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

read系統呼叫的作用是從與檔案描述符相關的檔案裡讀入nbytes個位元組的資料，並把它們放到資料區buf中，返回讀入的位元組數，失敗時返回-1。

d、close系統呼叫

close呼叫的函式原型為：

int close(int fildes);

close函式的作用是終於檔案描述符fildes一其對應的檔案之間的關聯。

e、例子

說了這麼多，我就給出乙個完整的例子吧，就是從乙個資料檔案（裡面有1m個『0』字元）逐個複製到別乙個檔案。檔名為copy_system.c，**如下：

[cpp]view plain

copy

print?

#include

int main()

#include #include #include #include int main()

三、標準i/o庫

有過c程式設計經歷的人都會知道stdio標頭檔案，它就是c語言的標準io庫，在標準io庫中，與底層檔案描述符相對應的是流，它被實現為指向結構file的指標。io庫的函式有很多，為了與前面的內容對應，這裡還是只講與前面四個函式相對應的函式，其他的函式，你可以查一查手冊頁。

a、fopen庫函式

fopen庫函式的原型為：

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

它與底層系統呼叫open類似，成功時返回乙個非空指標。失敗時返回null。

b、fread庫函式

fread庫函式的原型為：

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

它與底層呼叫read相似，其作用是從stream讀取nitems個長度為size的資料到ptr所指向的緩衝區中。返回值是成功讀到緩衝區中的記錄個數。

注：stream為用fopen函式返回的檔案結構指標。

c、fwrite庫函式

fwrite庫函式的原型：

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

它與底層呼叫write相似，其作用是從ptr指向的緩衝區中讀取nitems個長度為size到資料，並把它們寫到stream所對應的檔案中。

d、fclose庫函式

fclose庫函式的原型為：

int fclose(file *stream);

它與系統呼叫close相似，其作用是關閉指定的檔案流stream。例子

同樣地，下面是前乙個例子的另乙個實現版本，它實現的功能與先前的例子一樣，不過使用的是標準i/o庫，而不是系統呼叫，檔名為copy_stdio.c**如下：

[cpp]view plain

copy

print?

#include

int main()

#include #include int main()

當然這裡你也可以用其他的庫函式來完成工作,如：用fgetc代替fread，用fputc代替fwrite等。

四、檔案描述符和檔案流的關係

每個檔案流都對應乙個底層檔案描述符，你可以把底層輸入輸出操作與高層檔案流操作混合使用，但是一般不要這樣做，因為資料緩衝的後果難以預料。我們可以通過呼叫fileno函式（原型為：int fileno(file *stream))來確定檔案流使用的底層檔案描述符，它返回指向檔案流的檔案描述符。相反地，你可以通過呼叫函式fdopen（原型為file* fdopen(int fildes, const char* mode))來在乙個已經開啟的檔案描述符上建立乙個新的檔案流，mode引數與fopen函式的完全一樣，同時它必須符合該檔案在最初開啟時所設定的訪問模式。

但是在linux下的程式設計，系統呼叫用得比較多一些，因為很多時候系統呼叫能提供更多的靈活性和更加強大的功能，有些操作是一定要使用系統呼叫，例如，建立檔案讀寫鎖時就一定要使用系統呼叫。

五、系統呼叫與標準i/o的效能比較

就拿本例子中的**來比較，兩個例子編譯後生成的可執行檔案的檔名分別為：copy_system.exe和copy_stdio.exe，在linux下用time命令來測試其執行時間如下：

從測試結果可以看出，系統呼叫的效率比庫函式要低很多。為什麼呢？

因為使用系統呼叫會影響系統的效能。與函式呼叫相比，系統呼叫時，linux必須從執行使用者**切換到執行核心**，然後再返回使用者**，所以系統呼叫的開銷要比普通函式呼叫大一些。然而也是有辦法減少這種開銷的，就是在程式中儘量減少系統呼叫的的次數，並且讓每次系統呼叫完成盡量多的工作。

而庫函式為什麼做同樣的事情效率卻會高這麼多呢？這是因為庫函式在資料滿足資料塊長度（或buffer長度）要求時才安排執行底層系統呼叫，從而減少了系統呼叫的次數，也讓每次的系統呼叫做了盡量多的事情，所以效率就比較高。

六、提高系統呼叫的簡單方法舉例

用回每乙個例子（coy_system.c）的**，略加修改就能提高我們的效率，例如一次讀1024個位元組，修改後儲存檔名為copy_system2.c，**如下：

[cpp]view plain

copy

print?

#include

int main()

#include #include #include #include int main()

生成的可執行檔案為copy_system2.exe，使用time命令檢視其執行時間，如下：

比較下可以看出，其效能改善了乙個數量級，其效率甚至比用庫函式乙個乙個字元複製來來得高效，至少在我的機子上是這樣。

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