Linux C编程——文件IO基础

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绍 Linux 应用编程中最基础的知识，即文件 I/O（Input、Outout）

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一、简单的文件 IO 示例

一个通用的 IO 模型通常包括打开文件、读写文件、关闭文件这些基本操作，主要涉及到 4 个函数：open()、read()、write()以及 close()。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{char buff[1024];int fd1, fd2;int ret;/* 打开源文件 src_file(只读方式) */fd1 = open("./src_file", O_RDONLY);if (-1 == fd1)return fd1;/* 打开目标文件 dest_file(只写方式) */fd2 = open("./dest_file", O_WRONLY);if (-1 == fd2) {ret = fd2;goto out1;}/* 读取源文件 1KB 数据到 buff 中 */ret = read(fd1, buff, sizeof(buff));if (-1 == ret)goto out2;/* 将 buff 中的数据写入目标文件 */ret = write(fd2, buff, sizeof(buff));if (-1 == ret)goto out2;ret = 0;
out2:/* 关闭目标文件 */close(fd2);
out1:/* 关闭源文件 */close(fd1);return ret;
}

该代码主要实现：

• 从源码文件 src_file 中读取 1KB 数据
• 将读取的数据写入 dest_file 中

读写操作前，首先调用 open 函数将 源文件 和 目标文件 打开，成功打开之后再调用 read 函数从源文件中读取 1KB 数据，然后再调用 write 函数将这 1KB 数据写入目标文件中。读写操作完成之后，最后调用 close 函数关闭源文件和目标文件。

二、文件描述符

看上面代码中的 open 函数会有一个返回值。然后会赋值给 fd 中，这是一个 int 类型数据，在 open 函数执行成功的情况下，会返回一个非负函数，而这个返回值就是一个文件描述符。对 Linux 内核，所有打开的文件都会通过文件描述符进行索引。

当调用 open 函数打开一个现有文件或创建一个新文件时，内核会向进程返回一个文件描述符，用于指代被打开的文件，所有执行 IO 操作的系统调用都是通过文件描述符来索引到对应的文件。当调用 read/write 函数进行文件读写时，会将文件描述符传送给 read/write 函数，所以在代码中，fd1 就是源文件 src_file 被打开时所对应的文件描述符，而 fd2 则是目标文件 dest_file 被打开时所对应的文件描述符。

在 Linux 系统下，我们可以通过 ulimit 命令来查看进程可打开的最大文件数，用法如下所示：

ulimit -n

当我们在程序中，调用 open 函数打开文件的时候，分配的文件描述符一般都是从 3 开始，是 0、1、2 这三个文件描述符已经默认被系统占用了，分别分配给了系统标准输入（0）、标准输出（1）以及标准错误（2）。

标准输入一般对应的是键盘，可以理解为 0 便是打开键盘对应的设备文件时所得到的文件描述符；
标准输出一般指的是 LCD 显示器，可以理解为 1 便是打开 LCD 设备对应的设备文件时所得到的文件描述符；
而标准错误一般指的也是 LCD 显示器。

三、open 打开文件

1. 函数原型

open 函数的函数原型为：

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

• pathname：字符串类型，用于标识需要打开或创建的文件，可以包含路径。
• flag：调用 open 函数时需要提供的标志，包括文件访问模式标志以及其它文件相关标志，这些标志使用宏定义进行描述，都是常量。
• mode：此参数用于指定新建文件的访问权限，只有当 flags 参数中包含 O_CREAT 或 O_TMPFILE 标志时才有效（O_TMPFILE 标志用于创建一个临时文件）。

flags 参数时既可以单独使用某一个标志，也可以通过位或运算（|）将多个标志进行组合：

open("./src_file", O_RDONLY) //单独使用某一个标志
open("./src_file", O_RDONLY | O_NOFOLLOW) //多个标志组合

2. 文件权限

当我们调用 open 函数去新建一个文件时，也需要指定该文件的权限，而 mode 参数便用于指定此文件的权限。首先 mode 参数的类型是 mode_t，这是一个 u32 无符号整形数据，权限表示方法如下所示：

们从低位从上看，每 3 个 bit 位分为一组，分别表示：

• O：表示其他用户的权限
• G：表示同组用户(group)的权限
• U：表示文件所属用户的权限
• S：表示文件的特殊权限

3 个 bit 位中，按照 rwx 顺序来分配权限位（特殊权限除外）。

• 最高位（权值为 4）表示读权限，为 1 时表示具有读权限，为 0 时没有读权限。
• 中间位（权值为 2）表示写权限，为 1 时表示具有写权限，为 0 时没有写权限。
• 最低位（权值为 1）表示执行权限，为 1 时表示具有可执行权限，为 0 时没有执行权限。

对于最高权限：
1FF(hex)、111 111 111(bin)、777(oct)、511(dec)

几个权限例子：
111 000 000：表示文件所属者拥有 读、写、执行权限。而同组用户和其他用户并不具有任何权限。
100 100 100：表示三类都有 读权限，但没有 写、执行权限。

3. 宏定义文件权限

在实际编程中，我们可以直接使用 Linux 中已经定义好的宏，不同的宏定义表示不同的权限。而宏定义其实可以根据英文来判断是什么权限。以下是几个例子：

USR文件所属者
S_IRUSR ：IR读权限、
S_IWUSR：IW写权限
S_IXUSR ：IX执行权限
S_IRWXU ：RWX 读、写、执行权限。U代表USR

GRP同组用户和OTH其他用户就不介绍了，一个道理。

4. 函数使用实例

使用 open 函数打开一个已经存在的文件，使用只读方式打开：

int fd = open("./app.c",O_RDONLY)
if(-1==fd)return fd;

使用 open 函数打开一个指定的文件，使用可读可写方式,如果该文件是一个符号链接文件，则不对其进行解引用，直接返回错误：

int fd = open("/home/prover/hello",O_RDWR|O_NOFOLLOW);
if(-1==fd)return fd;

使用 open 函数打开一个指定的文件，如果该文件不存在则创建该文件，创建该文件时，将文件权限设置如下：

• 文件所属者拥有读、写、执行权限；
• 同组用户与其他用户只有读权限
• 使用可读可写方式打开：

int fd = open("/home/prover/hello",O_RDWR|O_CREAT,S_IRWXU|S_IRGRP|S_IROTH);
if(-1==fd)return fd;

四、write 写文件

函数原型

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)；

• fd：文件描述符
• buf：指定写入数据对应的缓冲区
• count：指定写入的字节数
• 返回值：如果成功将返回写入的字节数。如果此数字小于 count 参数，这不是错误，譬如磁盘空间已满，可能会发生这种情况；如果写入出错，则返回-1。

对于普通文件，默认情况下当前位置偏移量一般是 0，也就是指向了文件起始位置，当调用 read、write 函数读写操作完成之后，当前位置偏移量也会向后移动对应字节数。

隔壁 CTF 的 Pwn 二进制安全，可以利用 write() 函数进行漏洞利用，填充缓冲区，填入 system 函数地址和 /bin/sh 的地址，从而达到漏洞利用。

五、read 读文件

函数原型

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

• fd：文件描述符。与 write 函数的 fd 参数意义相同。
• buf：指定用于存储读取数据的缓冲区。
• count：指定需要读取的字节数。
• 返回值
  • 如果读取成功将返回读取到的字节数，实际读取到的字节数可能会小于 count 参数指定的字节数。
  • 也有可能会为 0，譬如进行读操作时，当前文件位置偏移量已经到了文件末尾。
  • 实际读取到的字节数少于要求读取的字节数，譬如在到达文件末尾之前有 30 个字节数据，而要求读取 100 个字节，则 read 读取成功只能返回 30；而下一次再调用 read 读，它将返回 0（文件末尾）。

六、close 关闭文件

函数原型

int close(int fd);

• fd：文件描述符，需要关闭的文件所对应的文件描述符。
• 返回值：如果成功返回 0，如果失败则返回-1。

除了使用 close 函数显式关闭文件之外，在 Linux 系统中，当一个进程终止时，内核会自动关闭它打开的所有文件，也就是说在我们的程序中打开了文件，如果程序终止退出时没有关闭打开的文件，那么内核会自动将程序中打开的文件关闭。很多程序都利用了这一功能而不显式地用 close 关闭打开的文件。

七、Iseek

上面说到，对于每个打开的文件，系统都会记录它的读写位置偏移量，我们也把这个读写位置偏移量称为读写偏移量，记录了文件当前的读写位置，当调用 read()或 write()函数对文件进行读写操作时，就会从当前读写位置偏移量开始进行数据读写。

读写偏移量用于指示 read()或 write()函数操作时文件的起始位置，会以相对于文件头部的位置偏移量来表示，文件第一个字节数据的位置偏移量为 0。

当打开文件时，会将读写偏移量设置为指向文件开始位置处，以后每次调用 read()、write()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，连续的调用 read()和 write()函数将使得读写按顺序递增，对文件进行操作。

函数原型

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

• fd：文件描述符。
• offset：偏移量，以字节为单位。
• whence：用于定义参数 offset 偏移量对应的参考值。
  • SEEK_SET：读写偏移量将指向 offset 字节位置处（从文件头部开始算）；
  • SEEK_CUR：读写偏移量将指向当前位置偏移量 + offset 字节位置处，offset 可以为正、也可以为负，如果是正数表示往后偏移，如果是负数则表示往前偏移；
  • SEEK_END：读写偏移量将指向文件末尾 + offset 字节位置处，同样 offset 可以为正、也可以为负，如果是正数表示往后偏移、如果是负数则表示往前偏移。
• 返回值：成功将返回从文件头部开始算起的位置偏移量（字节为单位），也就是当前的读写位置；发生错误将返回-1。

使用示例

将读写位置移动到文件开头处：

off_t off = lseek(fd,0,SEEK_SET);
if(-1==off)return -1;

将读写位置移动到文件末尾：

off_t off = lseek(fd,0,SEEK_END);
if(-1==off)return -1;

将读写位置移动到偏移文件开头 100 个字节处：

off_t off = lseek(fd,100,SEEK_SET);
if(-1==off)return -1;

获取当前读写位置偏移量

off_t off = lseek(fd,0,SEEK_CUR);
if(-1==off)return -1;