Linux系统调用-文件操作（c语言标准库）

Linux系统与文件操作相关的应用程序结构

上图解构如下：

应用层指用户编写的程序，如我们的hello.c。
GNU C库（glibc）即C语言标准库，例如在编译器章节介绍的libc.so.6文件，它包含了printf、malloc，以及fopen、fread、fwrite等文件操作函数。
用户程序和glibc库都是属于用户空间的，本质都是用户程序。
应用层的程序和glibc可能会调用到“系统调用层（SCI）”的函数，这些函数是Linux内核对外提供的函数接口，用户通过这些函数向系统申请操作。例如，C库的printf函数使用了系统的vsprintf和write函数，C库的fopen、fread、fwrite分别调用了系统的open、read、write函数，具体可以阅读glibc的源码了解。
由于文件系统种类非常多，跟文件操作相关的open、read、write等函数经过虚拟文件系统层，再访问具体的文件系统。

总的来说，为了使不同的文件系统共存， Linux内核在用户层与具体文件系统之前增加了虚拟文件系统中间层，它对复杂的系统进行抽象化，对用户提供了统一的文件操作接口。无论是ext2/3/4、FAT32、NTFS存储的文件，还是/proc、/sys提供的信息还是硬件设备，无论内容是在本地还是网络上，都使用一样的open、read、write来访问，使得“一切皆文件”的理念被实现，这也正是软件中间层的魅力。

Linux系统调用

从上图可了解到，系统调用（System Call）是操作系统提供给用户程序调用的一组“特殊”函数接口API，文件操作就是其中一种类型。实际上，Linux提供的系统调用包含以下内容：

进程控制：如fork、clone、exit 、setpriority等创建、中止、设置进程优先级的操作。
文件系统控制：如open、read、write等对文件的打开、读取、写入操作。
系统控制：如reboot、stime、init_module等重启、调整系统时间、初始化模块的系统操作。
内存管理：如mlock、mremap等内存页上锁重、映射虚拟内存操作。
网络管理：如sethostname、gethostname设置或获取本主机名操作。
socket控制：如socket、bind、send等进行TCP、UDP的网络通讯操作。
用户管理：如setuid、getuid等设置或获取用户ID的操作。
进程间通信：包含信号量、管道、共享内存等操作。

从逻辑上来说，系统调用可被看成是一个Linux内核与用户空间程序交互的中间人，它把用户进程的请求传达给内核，待内核把请求处理完毕后再将处理结果送回给用户空间。它的存在就是为了对用户空间与内核空间进行隔离，要求用户通过给定的方式访问系统资源，从而达到保护系统的目的。

也就是说，我们心心念念的Linux应用程序与硬件驱动程序之间，就是各种各样的系统调用，所以无论出于何种目的，系统调用是学习Linux开发绕不开的话题。

下面通过文件操作的两个实验，来演示使用C标准库与系统调用方式的差异。

文件操作（C标准库）

我们先使用通用的C标准库接口访问文件，标准库实际是对系统调用再次进行了封装。使用C标准库编写的代码，能方便地在不同的系统上移植。

例如Windows系统打开文件操作的系统API为OpenFile，Linux则为open，C标准库都把它们封装为fopen，Windows下的C库会通过fopen调用OpenFile函数实现操作，而Linux下则通过glibc调用open打开文件。用户代码如果使用fopen，那么只要根据不同的系统重新编译程序即可，而不需要修改对应的代码。

在开发时，遇到不熟悉的库函数或系统调用，要善用man手册，而不要老是从网上查找。

C标准库提供的常用文件操作简介如下：

fopen库函数用于打开或创建文件，返回相应的文件流。它的函数原型如下：

#include <stdio.h>
FILE *fopen(const char *pathname, const char *mode);

pathname参数用于指定要打开或创建的文件名。
mode参数用于指定文件的打开方式，注意该参数是一个字符串，输入时需要带双引号：
“r”：以只读方式打开，文件指针位于文件的开头。
“r+”：以读和写的方式打开，文件指针位于文件的开头。
“w”：以写的方式打开，不管原文件是否有内容都把原内容清空掉，文件指针位于文件的开头。
“w+”：同上，不过当文件不存在时，前面的“w”模式会返回错误，而此处的“w+”则会创建新文件。
“a”：以追加内容的方式打开，若文件不存在会创建新文件，文件指针位于文件的末尾。与“w+”的区别是它不会清空原文件的内容而是追加。
“a+”：以读和追加的方式打开，其它同上。
fopen的返回值是FILE类型的文件文件流，当它的值不为NULL时表示正常，后续的fread、fwrite等函数可通过文件流访问对应的文件。

fread库函数用于从文件流中读取数据。它的函数原型如下：

#include <stdio.h>
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

stream是使用fopen打开的文件流，fread通过它指定要访问的文件，它从该文件中读取nmemb项数据，每项的大小为size，读取到的数据会被存储在ptr指向的数组中。fread的返回值为成功读取的项数（项的单位为size）。

fwrite库函数用于把数据写入到文件流。它的函数原型如下：

#include <stdio.h>
size_t fwrite(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

它的操作与fread相反，把ptr数组中的内容写入到stream文件流，写入的项数为nmemb，每项大小为size，返回值为成功写入的项数（项的单位为size）。

fclose库函数用于关闭指定的文件流，关闭时它会把尚未写到文件的内容都写出。因为标准库会对数据进行缓冲，所以需要使用fclose来确保数据被写出。它的函数原型如下：

#include <unistd.h>
int close(int fd);

fflush函数用于把尚未写到文件的内容立即写出。常用于确保前面操作的数据被写入到磁盘上。fclose函数本身也包含了fflush的操作。fflush的函数原型如下：

#include <stdio.h>
int fflush(FILE *stream);

fseek函数用于设置下一次读写函数操作的位置。它的函数原型如下：

#include <stdio.h>
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

其中的offset参数用于指定位置，whence参数则定义了offset的意义，whence的可取值如下：

SEEK_SET：offset是一个绝对位置。
SEEK_END：offset是以文件尾为参考点的相对位置。
SEEK_CUR：offset是以当前位置为参考点的相对位置。

示例代码及分析

#include <stdio.h>
#include <string.h>

//要写入的字符串
const char buf[] = "filesystem_test:Hello World!\n";
//文件描述符File类型是C语言预定义的一个结构体，他位于stdio.h中，是管理文件流的一种结构
FILE *fp;
char str[100];


int main(void)
{
   //创建一个文件
   fp = fopen("filesystem_test.txt", "w+");
   //正常返回文件指针
   //异常返回NULL
   if(NULL == fp){
      printf("Fail to Open File\n");
      return 0;
   }
   //将buf的内容写入文件
   //每次写入1个字节，总长度由strlen给出
   fwrite(buf, 1, strlen(buf), fp);

   //写入Embedfire
   //每次写入1个字节，总长度由strlen给出
   fwrite("Embedfire\n", 1, strlen("Embedfire\n"),fp);

   //把缓冲区的数据立即写入文件
   fflush(fp);

   //此时的文件位置指针位于文件的结尾处，使用fseek函数使文件指针回到文件头
   fseek(fp, 0, SEEK_SET);

   //从文件中读取内容到str中
   //每次读取100个字节，读取1次
   fread(str, 100, 1, fp);

   printf("File content:\n%s \n", str);

   fclose(fp);

   return 0;
}

如果之前有学习过C语言的文件操作，本实验代码非常容易理解，它的流程就是使用fopen创建文件、使用fwrite写入内容，使用fflush确保缓冲区的内容写到文件，然后使用fseek重置文件位置指针，使用fread把文件的内容读出，最后调用fclose关闭文件。

其中的fopen函数调用时使用了参数“w+”，表示每次都创建新的空文件，且带上读权限打开，函数调用后得到文件描述符fp，在它后面的fwrite、fread、fflush等函数都是通过这个fp文件描述符访问该文件的。

与文件操作（系统调用）中差异最大的就是此处fwrite和fread之间的fflush函数，C标准库的文件系统带缓冲区，而系统调用的文件操作不带缓冲区，所以没有相应的flush函数。

makefile参考

#生成可执行文件的名称
Target = file_demo
ARCH ?= x86
#编译器CC
#根据传入的参数ARCH，确定使用的编译器
#默认使用gcc编译器
#make ARCH=arm 时使用ARM-GCC编译器
ifeq ($(ARCH), x86)
   CC = gcc
else
   CC = arm-linux-gnueabihf-gcc
endif
#存放中间文件的路径
build_dir = build_$(ARCH)
#存放源文件的文件夹
src_dir =  .
#存放头文件的文件夹
inc_dir = includes .

#源文件
sources = $(foreach dir,$(src_dir),$(wildcard $(dir)/*.c))
#目标文件（*.o）
objects = $(patsubst %.c,$(build_dir)/%.o,$(notdir $(sources)))
#头文件
includes = $(foreach dir,$(inc_dir),$(wildcard $(dir)/*.h))
#编译参数
#指定头文件的路径
CFLAGS = $(patsubst %, -I%, $(inc_dir))

#链接过程
#开发板上无法使用动态库，因此使用静态链接的方式
$(build_dir)/$(Target) : $(objects)  | create_build
   $(CC) $^ -o $@

#编译工程
#编译src文件夹中的源文件，并将生成的目标文件放在objs文件夹中
$(build_dir)/%.o : $(src_dir)/%.c $(includes) | create_build
   $(CC) -c $(CFLAGS) $< -o $@


#以下为伪目标，调用方式：make 伪目标
#clean：用于Clean Project
#check：用于检查某个变量的值
.PHONY:clean cleanall check create_build
#按架构删除
clean:
   rm -rf $(build_dir)

#全部删除
cleanall:
   rm -rf build_x86 build_arm

#命令前带"@",表示不在终端上输出执行的命令
#这个目标主要是用来调试Makefile时输出一些内容
check:
   @echo $(CFLAGS)
   @echo $(CURDIR)
   @echo $(src_dir)
   @echo $(sources)
   @echo $(objects)

#创建一个新目录create，用于存放过程文件
create_build:
   @mkdir -p $(build_dir)

makefile和main.c文件放在一个文件夹下

arm开发板输入

#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#编译arm平台的程序
make ARCH=arm

编译后生成的ARM平台程序为build_arm/file_demo，使用网络文件系统共享至开发板，在开发板的终端上运行即可，如下图所示。

近期文章

分类

Linux应用层开发 · 2023年7月28日 0

Linux系统调用-文件操作（c语言标准库）

Linux系统与文件操作相关的应用程序结构

Linux系统调用

文件操作（C标准库）

示例代码及分析

您可能还喜欢...

发表回复取消回复

Linux应用层开发 · 2023年7月28日 0

Linux系统与文件操作相关的应用程序结构

Linux系统调用

文件操作（C标准库）

示例代码及分析

您可能还喜欢...

递归和递归函数

Modbus驱动库—libmodbus的使用

栈-队列

发表回复 取消回复

发表回复取消回复