Файлы

Главная сущность, которую мы будем изучать - файлы, поскольку в unix-подобных системах почти все ресурсы представлены именно через эту абстракцию.

Файл — последовательность байт, к которой ОС предоставляет доступ посредством файловых операций.

Например:

  • файл на диске;
  • вывод программы;
  • пользовательский ввод;
  • бесконечная последовательность случайных байт;
  • всё содержимое диска;
  • ...
    ───────────────────────────
... Mary had a little lamb, its ...
    ───────────────────────────
          ▲
          │ file position

read(1) → "a"
read(5) → "d a l"
read(5) → "ittle"
write(5, " wolf")

    ───────────────────────────
... Mary had a little wolf, its ...
    ───────────────────────────
                          ▲
                          │

lseek(-3, SEEK_CUR)  // move file position 3 bytes to the left

    ───────────────────────────
... Mary had a little wolf, its ...
    ───────────────────────────
                       ▲
                       │

Заметим, что системные вызовы write/read/lseek могут не иметь смысла при работе с конкретным файлом. Например, в файл “пользовательский ввод” нельзя ничего записать или подвинуть позицию чтения/записи.

Конец файла (EOF):

    ─────────────────────────┐
... il sole e l'altre stelle.│
    ─────────────────────────┘
                      ▲
                      │

read(10) → "stelle."
read(10) → ""
write(5, " FIN.")

    ──────────────────────────────┐
... il sole e l'altre stelle. FIN.│
    ──────────────────────────────┘
                                  ▲
                                  │

Q. А как пользователь понимает, где EOF?

A. EOF - ситуация, она нигде. EOF (end of file) - это не специальный символ, а ситуация, когда после запроса на считывание байтов считывается 0 байт.

Файловые дескрипторы

Операции для работы с файлами - это системные вызовы, то есть обращения к ядру. Чтобы объяснить ядру, c каким из файлов мы хотим работать, нужны идентификаторы. В качестве идентификаторов выступают файловые дескрипторы — целые числа.

               char buf[10];
               int fd = 3;
               read(fd, buf, sizeof(buf));
Userspace
──────────────────────────────────────────
Kernelspace
               0 → keyboard
               1 → display
               2 → display
               3 → somefile.txt
  • 0 (STDIN_FILENO) — standard input
  • 1 (STDOUT_FILENO) — standard output
  • 2 (STDERR_FILENO) — standard error output

У каждого процесса собственная таблица файловых дескрипторов.

POSIX file API

Системные вызовы read и write

Обёртки в стандартной библиотеке:

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); // ssize_t - знаковый size_t
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • производят чтение/запись с текущей позиции и смещают её вперёд на количество считанных/записанных байт
  • возвращают количество считанных/записанных байт (read возвращает 0, только если достиг конца файла, иначе считывает ненулевое количество байт, но не больше запрошенного)
  • если произошла ошибка, возвращают -1, а также выставляют специальную переменную errno. В errno хранится номер последней произошедшей при системных вызовах ошибки

Напишем программу mycat, которая будет читать байты со стандартного входа и писать их на стандартный выход с помощью системных вызовов.

#include <unistd.h>

int main() {
    char c; // наш буфер в один байт
    while (read(STDIN_FILENO, &c, sizeof(c)) > 0) { // STDIN_FILENO = 0
        write(STDOUT_FILENO, &c, sizeof(c));        // STDOUT_FILENO = 1
    }
}

Команда strace показывает, какие системные вызовы совершает наша программа. Использовать вот так: strace ./mycat

Наш буфер сейчас 1 байт. Если файл очень большой, то программа будет работать долго, поскольку каждый системный вызов занимает некоторое время. Давайте увеличим буфер, в который читаем файл.

Системный вызов open

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
  • Если файл удалось открыть, open возвращает файловый дескриптор
  • Если не удалось, open вернет -1, а также выставит номер ошибки в errno

Заметим, что приведены две функции open с разными сигнатурами. Язык С так не умеет, на самом деле функция open принимает произвольное количество параметров.

Напишем программу, которая умеет работать с аргументами командной строки

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

void catfile(int sourcefd) {
    char buf[10000];
    ssize_t result;
    while ((result = read(sourcefd, buf, sizeof(buf))) > 0) {
        write(STDOUT_FILENO, buf, result);
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc <= 1) {
        catfile(STDIN_FILENO);
    } else {
        for (int f = 1; f < argc; ++f) {
            int fd = open(argv[f], O_RDONLY); // в argv[f] путь к файлу
            if (fd < 0) {
                perror(argv[f]);
                return EXIT_FAILURE;  // EXIT_FAILURE = 1
            }
            catfile(fd);
            close(fd);
        }
    }
}

Флаги

  • Режимы доступа к файлу: O_RDONLY, O_WRONLY и O_RDWR
  • O_TRUNC обрезает файл, при открытии он получит размер 0
  • O_CREAT создаст файл, если его нет
  • O_APPEND установит файловую позицию чтения/записи на конец файла

Системный вызов lseek

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

offset - на сколько байт перемотать относительно точки отсчета

whence - точка отсчета:

  • SEEK_SET - с начала файла
  • SEEK_CUR - с текущей позиции
  • SEEK_END - с конца файла

Напишем программу, которая перематывает файл на заданную позицию и там что-то записывает.

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

const char usage[] =
    "Usage: binpatch FILE OFFSET DATA\n"
    "With empty DATA, truncates FILE at OFFSET.\n";

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 4) {
        write(STDERR_FILENO, usage, strlen(usage));
        return EXIT_FAILURE;
    }

    const char *name = argv[1];
    int offset = atoi(argv[2]);
    const char *data = argv[3];

    int fd = open(name, O_WRONLY | O_CREAT, S_IWUSR | S_IRUSR); // если передать название несуществующего файла, то благодаря O_CREAT он будет создан
    if (fd < 0) {
        perror(name);
        return EXIT_FAILURE;
    }

    if (lseek(fd, offset, SEEK_SET) < 0) {
        perror("seek");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    
    if (write(fd, data, strlen(data)) < 0) {
        perror("write");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    if (!strlen(data)) {
        off_t position = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);  // lseek возвращает смещение от начала файла
        ftruncate(fd, position);  // обрезает файл
    }

    // можно не закрывать файл, поскольку мы выходим из программы, и ОС подчистит все наши файловые дескрипторы 
}
  • Если в пустом файле сдвинуть позицию на 5 байт и записать туда 3 байта, то размер файла станет 8, первые 5 байт заполнятся нулями
  • /dev/stdin для каждого процесса показывает его стандартный вход, в этом файле нельзя переставить позиции чтения и записи. Если передать этот файл в нашу программу, словим ошибку ESPIPE (illegal seek).

Переносимость в языке си

Если мы хотим, чтобы наши программы были переносимы, то пользоваться вызовами, которые стандартизированы POSIX, нельзя. Поэтому язык С предоставляет стандартизированные способы работы с файлами.

#include <stdio.h>

FILE *fopen(const char *pathname, const char *mode);
  • при успехе возвращает указатель на структуру FILE
  • при ошибке возвращает NULL и выставляет номер ошибки в errno

Заметим, что mode передаем как символьную строку, она может принимать следующие значения:

image8

Перенос строки \n в UNIX-подобных ОС - это символ с кодом 10, а на Windows перевод строки - это символы CR и LF (коды 13 и 10). Ради переносимости язык C работает с текстовым файлами так, чтобы \n превращался в тот символ переноса, что нужен на конкретной платформе. Эту опцию можно отключить, добавив в конце mode букву b.

// другие функции библиотеки С для работы с файлами

int fclose(FILE *stream);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

Стандартная библиотека языка С создает потоки ввода/вывода буферизованными: данные накапливаются в буфере, пока он не заполнится. Только тогда данные передаются в системный вызов write.

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

int main() {
    FILE *f = fopen("poem. txt", "w");
    fprintf(f, "some string");
    fprintf(f, " and some other string\n");
    pause();
    fclose(f);
}

Если во время выполнения pause убить программу, то в файл poem.txt ничего не запишется. Чтобы принудительно очистить буфер, нужно написать fflush(f) перед pause. Если убрать pause и не закрывать файл, то данные все равно окажутся на диске, т.к. когда завершается main, стандартная библиотека языка С вызывает функцию exit, которая закрывает все потоки ввода и вывода, очищая их буферы.

Но нам не всегда хочется при завершении программы закрывать потоки, поэтому можно самим вызвать системный вызов exit:

syscall(SYS_exit, EXIT_SUCCESS);

void _exit(int status); // функция в POSIX. завершает программу, но не сбрасывает буфер
void _Exit(int status); // аналогичная функция в стандартной библиотеке си

Бывают потоки, буферизованные построчно. Например, стандартные потоки ввода/вывода. При встрече \n они сбрасывают буфер. stderr, напротив, не буферизован, благодаря этому сообщения об ошибках появляются сразу.

void setbuf(FILE *stream, char *buf); // для управления буферизацией
void setlinebuf(FILE *stream); // для строчной буферизации