005 嵌入式Linux应用开发——文件操作

01 文件 IO

文件 IO的分类

Unit它有很多衍生版本。那么我能不能够写出一个应用程序开让它既可以在Linux上运行，也可以在其他unix或者它扩展的内容上运行了。可以的，

只要你这个应用程序使用同一套接口就可以了，这套接口叫做posix接口，又名++系统IO++。

特性/名称	系统IO	标准IO（底层依旧系统IO）
提供者	Linux操作系统	C标准库
缓存机制	无缓存，直接与内核交互	有缓存，减少系统调用次数
跨平台性	特定于Linux或Unix平台	跨平台，可在不同操作系统上使用
文件描述符/指针	使用文件描述符	使用FILE结构体指针
功能强大性	功能强大，可访问各种文件类型	功能相对较弱，通常用于普通文件
适用场景	实时性要求高的硬件设备操作	大量数据操作，如多媒体和文本文件
系统调用	每次操作都直接调用内核	通过缓存机制减少系统调用
性能	频繁系统调用可能降低性能	缓存机制提高IO效率
API函数	open, read, write, close等	fopen, fread, fwrite, fclose等

文件 IO函数使用

使用open函数 ++打开、创建文件++

在Linux系统中，open函数是一个系统调用，用于打开或创建文件。其原型如下：

#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

• pathname：待打开/创建文件的路径名。
• flags：用于指定文件的打开/创建模式，如O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（读写）等。
• mode：当使用O_CREAT标志创建新文件时，用于指定文件的访问权限

以下是一个使用open函数在Linux系统中打开和创建的示例：

      #include <sys/types.h>
      #include <sys/stat.h>
      #include <fcntl.h>
      int main() {
          int fd;
          fd = open("example.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);//return 文件句柄
          if (fd < 0) {
              // 处理错误
              perror("Error opening file");
              return -1;
          }
          // 文件成功打开
          return 0;
      }

保护措施：

umask限制权限

对book用户：

对root用户：

使用write函数写文件

• 写入文件 ：使用write函数向文件写入数据。
• 读取文件 ：使用read函数从文件读取数据。

#include <unistd.h>

char *data = "Hello, World!";
size_t num_bytes = write(fd, data, strlen(data));
if (num_bytes == -1) {
    // 处理错误
    perror("Error writing to file");
    exit(1);
}

使用read系统调用读取文件内容

char buf[BUFSIZE];
ssize_t numread = read(fd, buf, BUFSIZE);

每次读取时，内核会读取上一次保留的位置，并且基于此往后读取，读取完再记录当前位置......

效果演示

使用close函数关闭文件

if (close(fd) == -1) {
    // 处理错误
    perror("Error closing file");
    exit(1);
}

以下是详细的示例代码：

 #include <unistd.h>
      int main() {
          int fd;
          char buf[] = "Hello, World!";
          char readBuf;
          // 打开文件
          fd = open("example.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
          if (fd < 0) {
              // 处理错误
              return -1;
          }
          // 写入数据
          write(fd, buf, sizeof(buf));
          // 读取数据
          lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 将文件指针移至0位置（文件开头）
          read_number=read(fd, readBuf, sizeof(readBuf));
          // 打印读取的数据
          printf("Read data: %s\n", readBuf);
          // 关闭文件
          close(fd);
          return 0;
      }

实际应用

查看原始数据的16进制：

（使用编译器）

（使用命令行）

知识点补充：

**sscanf**在C语言中用于处理字符串数据转换和解析，非常适用于从配置文件中读取数据或解析用户输入等场景

1. 除了基本的格式说明符，sscanf还支持更复杂的格式，如：
   宽度限定符%5s（读取最多5个字符的字符串）、集合操作如%[a-z]（匹配小写字母a到z中的任意字符）、%\^,会读取字符串中从当前位置开始，直到遇到第一个逗号为止的所有字符。（% 是格式说明符的开始标志，[^,]表示除了逗号外的任何字符）
2. 返回值
   • sscanf函数返回成功匹配和赋值的参数个数。这可以用来检查读取操作是否成功。
3. 高级用法
   • 使用%*可以跳过某些数据不进行读取。
   • 结合正则表达式，sscanf可以实现更复杂的字符串解析。
4. 示例

sscanf函数的原型是
int sscanf(const char *str, const char *format,...);
这个函数从字符串str中按照format指定的格式（format字符串可以包含多种格式说明符，如%s（字符串）、%d（整数）、%f（浮点数）等。）读取数据，并将结果存储在后续的变量参数中

假设有一个字符串"Jack 201.75"，可以使用sscanf解析出名字、年龄和身高：
      char name;
      int age;
      float height;
      sscanf("Jack 201.75", "%s %d %f", name, &age, &height);

忘记了strcpy是前面的复制到后面还是++后面的复制到前面++......哈哈哈

完整代码：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>


/* 返回值: n表示读到了一行数据的数据个数(n >= 0)
 *         -1(读到文件尾部或者出错)
 */
static int read_line(int fd, unsigned char *buf)
{
    /* 循环读入一个字符 */

    /* 如何判断已经读完一行? 读到0x0d, 0x0a */

    unsigned char c;
    int len;
    int i = 0;
    int err = 0;

    while (1)
    {
        len = read(fd, &c, 1);
        if (len <= 0)
        {
            err = -1;
            break;
        }
        else
        {
            if (c != '\n' && c != '\r')
            {
                buf[i] = c;
                i++;
            }
            else
            {
                /* 碰到回车换行   */
                err = 0;
                break;
            }
        }
    }

    buf[i] = '\0';

    if (err && (i == 0))
    {
        /* 读到文件尾部了并且一个数据都没有读进来 */
        return -1;
    }
    else
    {
        return i;
    }
}


void process_data(unsigned char *data_buf, unsigned char *result_buf)
{
    /* 示例1: data_buf = ",语文,数学,英语,总分,评价" 
     *        result_buf = ",语文,数学,英语,总分,评价" 
     * 示例2: data_buf = "张三,90,91,92,," 
     *        result_buf = "张三,90,91,92,273,A+" 
     *
     */

    char name[100];
    int scores[3];
    int sum;
    char *levels[] = {"A+", "A", "B"};
    int level;

    if (data_buf[0] == 0xef) /* 对于UTF-8编码的文件,它的前3个字符是0xef 0xbb 0xbf */
    {
        strcpy(result_buf, data_buf);
    }
    else
    {
        sscanf(data_buf, "%[^,],%d,%d,%d,", name, &scores[0], &scores[1], &scores[2]);
        //printf("result: %s,%d,%d,%d\n\r", name, scores[0], scores[1], scores[2]);
        //printf("result: %s --->get name---> %s\n\r", data_buf, name);
        sum = scores[0] + scores[1] + scores[2];
        if (sum >= 270)
            level = 0;
        else if (sum >= 240)
            level = 1;
        else
            level = 2;

        sprintf(result_buf, "%s,%d,%d,%d,%d,%s", name, scores[0], scores[1], scores[2], sum, levels[level]);
        //printf("result: %s", result_buf);
    }
}

/*
 * ./process_excel data.csv  result.csv
 * argc    = 3
 * argv[0] = "./process_excel"
 * argv[1] = "data.csv"
 * argv[2] = "result.csv"
 */

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd_data, fd_result;
    int i;
    int len;
    unsigned char data_buf[1000];
    unsigned char result_buf[1000];
    
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage: %s <data csv file> <result csv file>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    fd_data = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd_data < 0)
    {
        printf("can not open file %s\n", argv[1]);
        perror("open");
        return -1;
    }
    else
    {
        printf("data file fd = %d\n", fd_data);
    }

    fd_result = open(argv[2], O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd_result < 0)
    {
        printf("can not create file %s\n", argv[2]);
        perror("create");
        return -1;
    }
    else
    {
        printf("resultfile fd = %d\n", fd_result);
    }


    while (1)
    {
        /* 从数据文件里读取1行 */
        len = read_line(fd_data, data_buf);
        if (len == -1)
        {
            break;
        }

        //if (len != 0)
        //    printf("line: %s\n\r", data_buf);

        if (len != 0)
        {
            /* 处理数据 */
            process_data(data_buf, result_buf);
            
            /* 写入结果文件 */
            //write_data(fd_result, result_buf);
            write(fd_result, result_buf, strlen(result_buf));

            write(fd_result, "\r\n", 2);
        }

    }

    close(fd_data);
    close(fd_result);

    return 0;
}

02 文件IO内部调用机制

文件IO内部调用机制

1. 用户层调用
   • 应用程序调用如open、read等函数。
2. glibc库函数
   • glibc内的函数设置触发异常的原因，并调用汇编指令swi或svc来触发异常。
3. 异常处理
   • CPU发现异常后，调用Linux内核中的异常处理函数，根据异常原因处理。
4. 系统调用表
   • 内核根据系统调用号在sys_call_table数组中查找并调用相应的系统调用处理程序。
5. 文件描述符
   • 每个打开的文件在进程中有唯一的文件描述符，文件描述符表记录了文件描述符与文件结构体file的对应关系。
6. 文件操作
   • 通过文件描述符进行读写操作时，内核根据文件描述符找到对应的file结构体，进行文件操作

dup函数的使用

dup函数用于复制++文件描述符++。这在处理文件IO操作时非常有用，尤其是在需要多个文件描述符指向同一个文件的情况下

使用场景：打开同一个文件两次时，得到的文件句柄会不一样

但可以使用dep、dup2、dup3可以实现打开同一个文件时，使用同一个文件结构体

dup函数：

用于复制一个现有的文件描述符。系统会分配一个新的、未用过的、值为最小的文件描述符，并使其指向与oldfd相同的文件。

• 原型 ：int dup(int oldfd);
• 返回值：成功时返回新的文件描述符，失败时返回-1

dup2函数：

与dup类似，但允许用户指定返回的文件描述符的值。如果newfd已经打开，则先关闭它。

• 原型 ：int dup2(int oldfd, int newfd);
• 返回值 ：成功时返回newfd，失败时返回-1

dup3函数：没有讲到

在dup2的基础上增加了O_CLOEXEC标志的支持，用于控制文件描述符在执行exec类系统调用时是否自动关闭。

• 原型 ：int dup3(int oldfd, int newfd, int flags);
• 返回值 ：成功时返回newfd，失败时返回-1

区别

1. dup：总是返回当前可用文件描述符中数值最小的那个。
2. dup2 ：允许用户指定新的文件描述符的值。如果指定的newfd已经打开，则先关闭它。
3. dup3 ：增加了对O_CLOEXEC标志的支持，可以控制文件描述符在执行exec类系统调用时是否自动关闭。

典型用法

1. 重定向标准输入/输出/错误：通过将标准输入、输出或错误的文件描述符复制到其他文件描述符，实现重定向。
2. 实现管道（Pipe）：在创建管道时，需要复制文件描述符以实现数据的单向流动