02-系统调用、文件、目录
发布时间：2024年01月09日
系统调用、文件、目录
1. 系统调用
1.1 系统编程概述
-
操作系统的职责：
- 操作系统用来管理所有的资源，并将不同的设备和不同的程序关联起来。
-
什么是 Linux 系统编程
- 在有操作系统的环境下编程，并使用操作系统提供的系统调用及各种库，对系统资源进行访问。
- C 语言 + 使用系统调用的方法，就可以进行 Linux 系统编程了。
1.2 系统调用概述
- 是操作系统提供给用户使其可以
操作内核提供服务的一组函数接口。
-
Linux 的不同版本提供了
两三百个系统调用。 -
用户程序可以通过这组接口获得操作系统（内核）提供的服务。
-
-
例如：
- 用户可以通过文件系统相关的系统调用，请求系统打开文件、关闭文件或读写文件。
-
-
系统调用按照功能逻辑大致
可分为:- 进程控制、进程间通信、文件系统控制、系统控制、内存管理、网络管理、 socket 控制、用户管理。
-
系统调用的
返回值：- 通常，用一个 负的返回值 来表明错误，返回一个 0 值表明成功。错误信息存放在全局变量 errno 中，用户可用 perror 函数打印出错信息。
-
系统调用遵循的
规范：- 在 Linux 中，应用程序编程接口(API)遵循 POSIX 标准。
- POSIX 标准基于当时现有的 UNIX实践和经验，描述了操作系统的系统调用编程接口（实际上就是 API），用于保证应用程序可以在源代码一级上在多种操作系统上移植运行。
- 如：
- linux 下写的 open、 write 、 read 可以直接移植到 unix 操作系统下。
1.3 用户态和内核态
1.3.1 引入
-
CPU 指令是可以直接操作硬件的，要是因为指令操作的不规范，造成的错误是会影响整个 计算机系统 的。好比你写 一个程序，但是因为你对 硬件操作 不熟悉，出现问题，那么影响范围是多大？是整个计算机系统，操作系统内核、及其其他所有正在运
行的程序，都会因为你操作失误而受到不可挽回的错误，那么你只有重启整个计算机才行。 -
而对于 硬件的操作 是非常复杂的，参数众多，出问题的几率相当大，必须及其谨慎的进行操作，这对于个人开发者来说是个艰巨的任务，同时个人开发者在这方面也是不被信任的。所以 操作系统内核 直接屏蔽了个人开发者对于硬件操作 的可能。
-
这方面 系统内核 对 硬件操作 进行了封装处理，对外提供标准函数库，操作更简单、更安全。
- 比如 我们要打开一个文件：
- C标准函数库中对应的是
fopen()， - 其内部封装的是内核中的系统
函数open()
- C标准函数库中对应的是
- 比如 我们要打开一个文件：
-
因为这个需求，硬件设备商直接提供了硬件级别的支持，做法就是对 CPU 指令设置了权限，不同级别的权限可以使用的 CPU 指令是有限制的。以 Inter CPU 为例，Inter 把
CPU 指令操作的权限划为4级：- ring 0
- ring 1
- ring 2
- ring 3
其中
- ring 0 权限最高，可以使用所有 CPU 指令，
- ring 3 权限最低，仅能使用常规 CPU 指令，这个级别的权限 不能使用访问硬件资源的指令，比如 IO 读写、网卡访问、申请内存都不行，都没有权限。
Linux 系统内核采用了：ring 0 和 ring 3 这2个权限
-
ring 0：内核态，完全在 操作系统内核 中运行，由专门的 内核线程 在 CPU 中执行其任务
-
ring 3：用户态，在 应用程序 中运行，由 用户线程 在 CPU 中执行其任务
Linux 系统中所有 对硬件资源的操作 都必须 在 内核态 状态下 执行，比如 IO 的读写，网络的操作
1.3.2 区别
用户态的代码必须由用户线程去执行；内核态的代码必须由内核线程去执行- 用户态、内核态 或者说 用户线程、内核线程 可以使用的资源是不同的，尤体现在内存资源上。Linux 内核对每一个进程都会分配 4G 虚拟内存空间地址
用户态： —> 只能操作0-3G的内存地址内核态： —> 0-4G 的内存地址都可以操作，尤其是对 3-4G 的高位地址必须由内核态去操作，因为所有进程的 3-4G 的高位地址使用的都是同一块、专门留给 系统内核 使用的1G 物理内存
- 所有对
硬件资源、系统内核数据的访问都必须由内核态去执行
1.3.3 如何切换内核态
- 通过软件中断
1.3.4 软件中断与硬件中断
- 软件中断
- 软件中断是由软件程序触发的中断，如系统调用、软中断、异常等。软件中断不是由硬件设备触发的，而是由软件程序主动发起的，一般用于系统调用、进程切换、异常处理等任务。软件中断需要在程序中进行调用，其响应速度和实时性相对较差，但是具有灵活性和可控性高的特点。
- 如：程序中出现的内存溢出，数组下标越界等。
- 硬件中断
- 硬件中断是由硬件设备触发的中断，如时钟中断、串口接收中断、外部中断等。当硬件设备有数据或事件需要处理时，会向CPU发送一个中断请求，CPU在收到中断请求后，会立即暂停当前正在执行的任务，进入中断处理程序中处理中断请求。硬件中断具有实时性强、可靠性高、处理速度快等特点。
- 如：当点击按钮扫描系统高低电频时等。
1.4 系统调用与库函数的关系
- 库函数可以调用系统调用提供的接口，也可以不调用系统调用提供的接口
- 如：
- 不调用系统调用的库函数：
strcpy、bzero等 - 调用系统调用的库函数：
fread、printf等
- 不调用系统调用的库函数：
1.5 注意
系统调用是需要时间的，程序中频繁的使用系统调用会降低程序的运行效率。当运行内核代码时，CPU 工作在内核态，在系统调用发生前需要保存用户态的栈和内存环境，然后转入内核态工作。系统调用结束后，又要切换回用户态。这种环境的切换会消耗掉许多时间。
2. 文件操作
2.1 文件描述符概念
文件描述符是一个非负整数，代表已打开的文件。
每一个进程都会创建一张文件描述符表记录的是当前进程打开的所有文件描述符。每一个进程默认打开三个文件描述符：
- 0(标准输入设备scanf)
- 1(标准输出设备printf)
- 2(标准错误输入设备perror)。
新打开的文件描述符 为
最小可用文件描述符，一般以3开始。
位图表示：
2.1.1 ulimit 临时修改资源限制
ulimit是一个计算机命令，用于shell启动进程所占用的资源，可用于修改系统资源限制。使用ulimit命令用于 临时 修改资源限制，如果需要永久修改需要将设置写入配置文件/etc/security/limits.conf。
ulimit -a 查看open files打开的文件最大数。
ulimit -n 最大数 设置open files打开的文件最大数。
2.2 文件读写
2.2.1 文件磁盘权限
解释:
第一位说是文件还是文件夹
2~4位说明所有者权限
5~7位说明同组用户权限
8~10位说明其他用户权限
r 4
w 2
x 1
注意：
man 2 系统调用
在终端下 查看系统调用函数对应的头文件与函数信息
2.2.2 open 打开文件
//所需头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
//函数
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
参数：
pathname：打开的文件地址flags：代码操作文件的权限
- 必选项
O_RDONLY以只读的方式打开O_WRONLY以只写的方式打开O_RDWR以可读、可写的方式打开- **可选项 **
O_CREAT文件不存在则创建文件，使用此选项时需使用 mode 说明文件的权限O_EXCL如果同时指定了 O_CREAT，且文件已经存在，则打开，如果文件不存在则新建O_TRUNC如果文件存在，则清空文件内容O_APPEND写文件时，数据添加到文件末尾O_NONBLOCK对于设备文件，以 O_NONBLOCK 方式打开可以做非阻塞mode：文件在磁盘中的权限
- 格式：
- 0ddd
- d的取值：4(可读)，2(可写)，1(可执行)
- 第一个d：所有者权限
- 第二个d：同组用户权限
- 第三个d：其他用户权限
- 如果需要可读可写就是6，可读可执行5等
- 如:
0666：所有者可读可写，同组用户可读可写，其他用户可读可写
0765：所有者可读可写可执行，同组用户可读可写，其他用户可读可执行
返回值：
成功：得到最小可用的文件描述符
失败：-1
建议:
操作已有文件使用两参
新建文件使用三参
2.2.3 close 关闭文件
//所需头文件
#include <unistd.h>
//函数
int close(int fd);
参数:
- 关闭的文件描述符
- 返回值
- 成功：0
- 失败： -1，并设置 errno
示例：以写的方式打开关闭文件
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
//文件不存在则创建文件
int fd = open("test.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND, 0765);
printf("fd=%d\n", fd);
if(fd < 0)
{
printf("文件打开失败\n");
return 0;
}
int x = close(fd);
printf("x=%d\n", x);
if(x < 0)
{
printf("文件关闭失败\n");
return 0;
}
return 0;
}
// fd=3
// x=0
2.2.4 write写入
//所需头文件
#include <unistd.h>
//函数
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数：
fd：写入的文件描述符buf：写入的内容首地址count：写入的长度,单位字节返回值
- 成功：返回
写入的内容的长度，单位字节- 失败：-1
示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> //open
#include <sys/stat.h> //open
#include <fcntl.h> //open
#include <unistd.h> //close
int main(int argc, char const *argv[])
{
int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_APPEND);
if(fd < 0)
{
printf("文件打开失败\n");
return 0;
}
char buf[] = "hello";
//-1是为了去除字符串自带的\0
int len = write(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
if(len < 0)
{
printf("写入失败\n");
}
if(close(fd) < 0)
{
printf("关闭失败\n");
}
}
2.2.5 read读取
//所需头
#include <unistd.h>
//函数
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
参数：
fd：文件描述符buf：内存首地址count：读取的字节个数返回值：
- 成功：实际
读取到的字节个数- 失败：-1
示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> //open
#include <sys/stat.h> //open
#include <fcntl.h> //open
#include <unistd.h> //close
int main(int argc, char const *argv[])
{
int fd = open("test.txt",O_RDONLY);
char buf[100] = "";
int len = read(fd,buf,100);
printf("len = %d\n",len);
//buf的第len位赋值'\0',buf在此处结束
buf[len] = '\0';
printf("buf = %s\n",buf);
close(fd);
return 0;
}
// len = 5
// buf = hello
2.3 练习：文件的复制
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> //open
#include <sys/stat.h> //open
#include <fcntl.h> //open
#include <unistd.h> //close
int main(int argc, char const *argv[])
{
//1、打开文件2个文件,一个读的文件,一个写入的文件
int fd_r = open("test.txt", O_RDONLY);
if(fd_r < 0)
{
printf("读文件打开失败");
return 0;
}
int fd_w = open("info.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0765);
if(fd_w < 0)
{
printf("写文件打开失败");
return 0;
}
//2、读取读文件中的内容(循环读取)
while(1)
{
//大文件，一般一次读取的大小为1024
char buf[10] = "";
//len : 实际读取到的字节数
int len = read(fd_r, buf, sizeof(buf));
//3,将读取到的内容,写入到写文件中
write(fd_w, buf, len);
if(len < sizeof(buf))
{
break;
}
}
return 0;
}
2.4 文件的阻塞特性
read默认为阻塞。如果读不到数据，将阻塞不继续执行 知道有数据可读，才继续往下执行。
非阻塞特性：如果没数据，立即返回，继续执行。
注意:阻塞与非阻塞是对于文件而言的，而不是指 read、write 等的属性。
示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> //open
#include <sys/stat.h> //open
#include <fcntl.h> //open
#include <unistd.h> //close
int main(int argc, char const *argv[])
{
// /dev/tty,当前终端对应的设备文件
//O_NONBLOCK:设置打开的文件为非阻塞
int fd = open("/dev/tty",O_RDONLY | O_NONBLOCK);
char buf[10] = "";
printf("请输入:\n");
int len = read(fd,buf,10);
close(fd);
printf("buf = %s\n",buf);
return 0;
}
结果：
通过open打开的文件可以设置非阻塞，但是如果不是通过open打开的文件怎么办?
通过fcntl函数来解决
2.4.1 fcntl 设置阻塞状态(已存在文件)
作用：针对已经存在的文件描述符设置阻塞状态
//所需头文件
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
//函数:
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);
功能:
- 改变已打开的文件性质，fcntl 针对描述符提供控制。
参数：
- fd：操作的文件描述符
- cmd：操作方式
- arg：针对 cmd 的值，fcntl 能够接受第三个参数 int arg。
返回值：
- 成功：返回某个其他值
- 失败：-1
fcntl 函数有 5 种功能：
- 复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）
- 获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD 或 F_SETFD)
- 获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL 或 F_SETFL)
- 获得／设置异步 I/O 所有权(cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN)
- 获得／设置记录锁(cmd=FGETLK, F_SETLK 或 F_SETLKW)
使用步骤：
- 获取文件状态标记
- 将得到的文件状态标记设置为非阻塞
- 将修改后的文件非阻塞状态标记,设置到当前文件描述符中
示例：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
//1,获取文件标记状态
int status = fcntl(0,F_GETFL);
//2修改状态为非阻塞状态
status = status | O_NONBLOCK;
//3,设置文件标记状态为非阻塞状态
fcntl(0,F_SETFL,status);
char buf[32]="";
printf("开始读取\n");
//0(标准输入设备scanf)
int len = read(0,buf,sizeof(buf));
printf("结束读取,读取到的内容为:%s\n",buf);
return 0;
}
2.5 文件状态
作用：获取文件状态信息
//所需头
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
//函数
int stat(const char *path, struct stat *buf);
int lstat(const char *pathname, struct stat *buf);
参数：
- 1参：文件地址
- 2参：保存文件信息的结构体
返回值
- 0：成功
- -1：失败
2.5.1 stat与lstat的区别
当文件是一个符号链接时：
- lstat 返回的是该符号链接本身的信息；
- stat 返回的是该链接指向的文件的信息。
2.5.2 stat结构体解释
struct stat {
dev_t st_dev; //文件的设备编号
ino_t st_ino; //节点
mode_t st_mode; //文件的类型和存取的权限
nlink_t st_nlink; //连到该文件的硬连接数目,刚建立的文件值为 1
uid_t st_uid; //用户 ID
gid_t st_gid; //组 ID
dev_t st_rdev; //(设备类型)若此文件为设备文件，则为其设备编号
off_t st_size; //文件字节数(文件大小)
blksize_t st_blksize; //块大小(文件系统的 I/O 缓冲区大小)
blkcnt_t st_blocks; //块数
time_t st_atime; //最后一次访问时间
time_t st_mtime; //最后一次修改时间
time_t st_ctime; //最后一次改变时间(指属性)
};
stat结构体st_mode属性:
一个由16个字节组成,简称16位
0~2其他人权限
3~5所属组权限
6~8所有者权限
12~15文件类型
具体参考下图
存储权限
S_ISUID 04000 set-user-ID bit
S_ISGID 02000 set-group-ID bit (see below)
S_ISVTX 01000 sticky bit (see below)
S_IRWXU 00700 owner has read, write, and execute permission
S_IRUSR 00400 owner has read permission
S_IWUSR 00200 owner has write permission
S_IXUSR 00100 owner has execute permission
S_IRWXG 00070 group has read, write, and execute permission
S_IRGRP 00040 group has read permission
S_IWGRP 00020 group has write permission
S_IXGRP 00010 group has execute permission
S_IRWXO 00007 others (not in group) have read, write, and execute permission
S_IROTH 00004 others have read permission
S_IWOTH 00002 others have write permission
S_IXOTH 00001 others have execute permission
示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
struct stat buf;
int tag = stat("test.txt",&buf);
if (tag < 0)
{
printf("读取失败\n");
return 0;
}
//说明当前文件为普通文件
if (S_ISREG(buf.st_mode))
{
printf("test.txt是文件\n");
}
else if(S_ISDIR(buf.st_mode))
{
printf("test.txt是目录\n");
}
printf("当前文件的大小为:%d\n",buf.st_size);
return 0;
}
// test.txt是文件
// 当前文件的大小为:5
3. 目录操作
3.1 打开目录 opendir
作用：打开目录
//所有头文件:
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
//函数:
DIR *opendir(const char *name);
参数：
- name：目录名
返回值：
- 成功：返回指向该目录结构体指针(DIR *)
- 失败：NULL
- DIR：中文名称句柄，其实就是目录的结构体指针
3.2 读取目录 readdir
作用：读取目录
//所需头文件
#include <dirent.h>
//函数
struct dirent *readdir(DIR *dirp);
参数：
- dirp：opendir 的返回值
返回值：
- 成功：目录结构体指针
- 失败：NULL
注意：一次读取一个文件。
相关结构体：
struct dirent
{
ino_t d_ino; // 此目录进入点的 inode
off_t d_off; // 目录文件开头至此目录进入点的位移
signed short int d_reclen; // d_name 的长度, 不包含 NULL 字符
unsigned char d_type; // d_type 所指的文件类型
char d_name[256]; // 文件名
};
d_type说明：
- DT_BLK这是一个块设备。(块设备如:磁盘)
- DT_CHR这是一个字符设备。(字符设备如:键盘,打印机)
- DT_DIR这是一个目录。
- DT_FIFO这是一个命名管道（FIFO）。
- DT_LNK这是一个符号链接。
- DT_REG这是一个常规文件。
- DT_SOCK这是一个UNIX域套接字。
- DT_UNKNOWN文件类型未知。
3.3 关闭目录 closedir
作用：关闭目录
//所需头文件
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
//函数
int closedir(DIR *dirp);
参数：
- dirp：opendir 返回的指针
返回值：
- 成功：0
- 失败：-1
3.4 示例1
打印制定目录下的文件名
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
DIR *dir = opendir("/home/zhb/iot2302_3/02_file");
if(dir == NULL)
{
printf("打开目录失败");
return 0;
}
while(1)
{
struct dirent *p;
p = readdir(dir);
if(p == NULL)
{
break;
}
//.和.. 排除
if(strcmp(p->d_name, ".") == 0 || strcmp(p->d_name, "..") == 0)
{
continue;;
}
printf("%s\n", p->d_name);
}
return 0;
}
// info.txt
// 07_code.c
// 01_code.c
// 05_code.c
// 06_code.c
// 00_code.c
// 03_code.c
// test.txt
// a.out
3.5 示例2 递归打印文件夹、文件名
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
#include <string.h>
void traversalDir(char *path)
{
char filepath[256] = "";
strcpy(filepath, path);
DIR *dir = opendir(filepath);
if(dir == NULL)
{
printf("打开目录失败\n");
return;
}
while (1)
{
struct dirent *p;
p = readdir(dir);
if(p == NULL)
{
break;
}
if(p->d_type == DT_DIR && strcmp(p->d_name, ".") != 0 && strcmp(p->d_name, "..") != 0)
{
//拼接目录下的目录递归遍历
char newpath[256] = "";
strcpy(newpath, filepath);
strcat(newpath, "/");
strcat(newpath, p->d_name);
printf("%s\n", newpath);
traversalDir(newpath);
}
if (p->d_type == DT_REG)
{
printf("%s/%s\n", filepath, p->d_name);
}
}
closedir(dir);
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
traversalDir("/home/zhb/iot2302_3");
return 0;
}
文章来源:https://blog.csdn.net/zhb_feng/article/details/135471470
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