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tags: C Syscall Linux

写在前面

无论是做网络编程还是系统编程, 逃不开的一个内容就是C系统调用的学习, 正如C++的STL一样, 学习OS也有如下的三步骤:

1. 会使用: 熟悉API
2. 懂原理: 分析源码
3. 写扩展: 实际开发

现在就来熟悉一下系统调用吧. 环境Ubuntu x86_64.

源码部分也参考了apue以及Linux/UNIX系统编程手册.

预备知识

什么是系统调用

1. 系统调用将处理器从用户态切换到核心态, 以便让CPU访问受到保护的内核内存数据.
2. 其组成是固定的, 每一个系统调用都由唯一一个数字来标识.

程序运行四区

非常重要, 全图背诵.

标准文件描述符

文件描述符	用途	POSIX名称	stdio流
0	标准输入	STDIN_FILENO	stdin
1	标准输出	STDOUT_FILENO	stdout
2	标准错误	STDERR_FILENO	stderr

针对stdout调用freopen()函数后无法保证stdout变量值仍然为1。

常用头文件

头文件	包括的常用函数/常量	作用
sys/types.h		类型定义
sys/stat.h		状态定义
stdio.h	printf,fprintf	标准I/O函数
stdlib.h	malloc,free	标准库函数
unistd.h	sleep,	部分系统调用
errno.h		错误状态码
string.h	memset,strcpy	字符创相关操作 (堆内存分配与初始化)
limits.h	INT_MAX	系统限制
fcntl.h	fcntl,	文件I/O函数(高级)

文件I/O

文件访问模式

常用的文件访问模式如下表.

访问模式	描述	访问模式	描述
O_RDONLY	只读打开	O_CREAT	不存在则创建
O_WRONLY	只写打开	O_TRUNC	截断已有文件 (长度置为0)
O_RDWR	读写打开	O_APPEND	文件尾部追加

备注:

1. 调用open()时, O_RDONLY、O_WRONLY和O_RDWR标志在flags参数中不能同时使用只能指定其中一种
2. O_TRUNC: 如果文件已经存在且为普通文件那么将清空文件内容将其长度置0。在Linux下使用此标志无论以读、写方式打开文件都可清空文件内容在这两种情况下都必须拥有对文件的写权限

权限位

权限位st_mode	含义	八进制值	英文注记
S_IRUSR	用户读	4	READ USER
S_IWUSR	用户写	2	WRITE USER
S_IXUSR	用户执行	1	EXEC USER
S_IRGRP	组读	4	READ GROUP
S_IWGRP	组写	2	WRITE GROUP
S_IXGRP	组执行	1	EXEC GROUP
S_IROTH	其他用户读	4	READ OTHER
S_IWOTH	其他用户写	2	WRITE OTHER
S_IXOTH	其他用户执行	1	EXEC OTHER

例如常用的可执行文件权限位: 755, 就对应了rwx-r-xr-x, 而默认创建目录的权限位为:

open: 创建文件

fd = open(pathname, flags, mode) 函数打开pathname所标识的文件并返回文件描述符用以在后续函数调用中指代打开的文件。如果文件不存在open()函数可以创建之这取决于对位掩码参数flags的设置。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>

void error_handling(char* msg);

int fd;
void t1() {
    // create and write
    char buf[] = "Let's go!";

    fd = open("data", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (fd == -1) error_handling("open() error");
    printf("file descripter: %d\n", fd);

    if (write(fd, buf, sizeof(buf)) == -1) error_handling("write() error");

    close(fd);
}
void t2() {
    // append to log
    char buf[] = "abc\n";
    fd = open("log", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (fd == -1) error_handling("open() error");
    printf("file descripter: %d\n", fd);

    if (write(fd, buf, sizeof(buf)) == -1) error_handling("write() error");
    close(fd);
}


int main(int argc, char* argv[]) {
    t1();
    t2();
    return 0;
}


void error_handling(char* msg) {
    fputs(msg, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    /* printf("aa\n"); */
    exit(1);
}

read: 读出流

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

void t1() {
    int fd = open("data", O_RDONLY);
    char buf[100];
    read(fd, buf, 10);
    printf("buf=%s\n", buf); // buf=Let's go!

    close(fd);
}
int main(int argc, char *argv[]) {
    t1();
    return 0;
}

write: 写入流

例子见open().

close: 关闭文件

lseek: 改变文件偏移量

对于每个打开的文件系统内核会记录其文件偏移量有时也将文件偏移量称为读写偏移量或指针。文件偏移量是指执行下一个read()或write()操作的文件起始位置会以相对于文件头部起始点的文件当前位置来表示。文件第一个字节的偏移量为0。

文件打开时会将文件偏移量设置为指向文件开始以后每次read()或write()调用将自动对其进行调整以指向已读或已写数据后的下一字节。因此连续的read()和write()调用将按顺序递进对文件进行操作。
针对文件描述符fd参数所指代的已打开文件lseek()系统调用依照offset和whence参数值调整该文件的偏移量。

offset参数指定了一个以字节为单位的数值。SUSv3规定off_t数据类型为有符号整型数。whence参数则表明应参照哪个基点来解释offset参数应为下列其中之一

• SEEK_SET: 将文件偏移量设置为从文件头部起始点开始的offset个字节
• SEEK_CUR: 相对于当前文件偏移量将文件偏移量调整offset个字节.
• SEEK_END: 将文件偏移量设置为起始于文件尾部的offset个字节。也就是说offset参数应该从文件最后一个字节之后的下一个字节算起.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

void t1() {
    int fd = open("data", O_WRONLY, S_IWUSR);
    int cur = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);
    printf("cur seek = %d\n", cur);
    cur = lseek(fd, 2, SEEK_SET);
    printf("cur seek = %d\n", cur);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    t1();
    return 0;
}

文件信息

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <sys/stat.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    struct stat sb;
    if (stat("data", &sb) == -1) fprintf(stderr, "stat-error");
    printf("size=%ld\n", sb.st_size);
    printf("mode=%u\n", sb.st_mode);
    printf("uid=%u\n", sb.st_uid);
    printf("gid=%u\n", sb.st_gid);
    printf("hard link number=%ld\n", sb.st_nlink);
    putchar('\n');
    printf("dev-id=%ld\n",sb.st_dev);
    printf("rdev-id=%ld\n", sb.st_rdev);
    printf("i-node=%ld\n", sb.st_ino);
    printf("block-size=%ld\n", sb.st_blksize);
    printf("blocks=%ld\n", sb.st_blocks);
    putchar('\n');
    printf("last access time=%s", ctime(&sb.st_atime));
    printf("last modify time=%s", ctime(&sb.st_mtime));
    printf("last status change time=%s\n", ctime(&sb.st_ctime));
    return 0;
}
/* size=10 */
/* mode=33152 */
/* uid=1001 */
/* gid=1001 */
/* hard link number=1 */
/*  */
/* dev-id=64513 */
/* rdev-id=0 */
/* i-node=1212099 */
/* block-size=4096 */
/* blocks=8 */
/*  */
/* last access time=Thu Feb  9 17:42:47 2023 */
/* last modify time=Sun Feb  5 01:19:56 2023 */
/* last status change time=Sun Feb  5 01:19:56 2023 */ 

目录I/O

mkdir: 创建目录

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

// rw-r--r--
#define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)
// rwxrwxr-x
#define DIR_MODE (FILE_MODE | S_IXUSR | S_IWGRP | S_IXGRP | S_IXOTH)

int main(int argc, char *argv[]) {
    mkdir("new_dir", DIR_MODE);
    return 0;
}

getpwd: 获取当前目录

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


int main(int argc, char *argv[]) {
    char *ptr;
    size_t size = 100;
    ptr = (char *)malloc(size);

    getcwd(ptr, size);
    printf("cwd = %s\n", ptr); // cwd = /home/zorch/code/c_cpp_code/syscall/dirio
    return 0;
}

chdir: 更改当前目录

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


int main(int argc, char *argv[]) {
    char *ptr;
    size_t size = 100;
    ptr = (char *)malloc(size);
    chdir("/usr/local/lib");

    getcwd(ptr, size);
    printf("cwd = %s\n", ptr); // cwd = /usr/local/lib

    return 0;
}