五嵌入式文件IO编程.ppt

### 嵌入式文件I/O编程 #### 5.1 Linux系统调用及用户编程接口 ##### 5.1.1 系统调用 系统调用是操作系统为用户提供的一种特殊的接口，允许用户程序调用操作系统内核提供的服务。在Linux系统中，程序运行空间被分为两个层次：用户空间和内核空间。这种划分是为了保护内核不受用户程序的影响，确保系统的稳定性和安全性。用户空间的程序不能直接访问内核空间的数据或函数，但可以通过系统调用来请求内核服务。 - **进程控制相关系统调用**：例如创建进程(`fork`, `vfork`)、进程间通信(`pipe`, `socket`)等功能，都是通过特定的系统调用来实现的。 - **文件操作相关系统调用**：例如打开文件(`open`)、读取文件(`read`)、写入文件(`write`)等也是通过系统调用完成。 - **内存管理相关系统调用**：例如分配内存(`brk`, `mmap`)、释放内存(`munmap`)等。 系统调用的过程中涉及从用户空间切换到内核空间，执行完成后再次切换回用户空间。 ##### 5.1.2 用户编程接口 用户编程接口(User Programming Interface, API)是操作系统提供给开发者的一套高级接口，通常是对底层系统调用进行了封装，使得开发者能够更方便地编写应用程序。在Linux中，API遵循POSIX标准，该标准旨在保证应用程序能够在多个操作系统上移植运行。POSIX定义了一系列的接口，包括文件操作、进程控制、线程管理等方面，这些接口主要通过C标准库(libc)来实现。 - **POSIX标准**：由IEEE和ISO/IEC共同制定，基于Unix实践经验，旨在提供跨平台的兼容性。 - **C标准库(libc)**：提供了大量实用函数，如字符串处理、文件操作、时间日期处理等，这些函数封装了对应的系统调用。 ##### 5.1.3 系统命令 系统命令是在用户层面执行的可执行程序，它们通常使用用户编程接口(API)来实现其功能。例如，`ls`命令用于列出文件目录，其实现依赖于文件操作相关的API。 #### 5.2 Linux文件I/O系统概述 ##### 5.2.1 虚拟文件系统 Linux中的虚拟文件系统(Virtual File System, VFS)是一种抽象层，它允许不同的文件系统类型在统一的接口下工作。VFS使得Linux能够支持多种文件系统，包括但不限于ext2、ext3、ext4、FAT、NTFS等。VFS的设计实现了文件系统的可插拔性，即新的文件系统可以很容易地添加到Linux中而无需修改核心的文件系统代码。 - **两层结构**：第一层是VFS，第二层是具体的文件系统。 - **统一接口**：VFS为所有文件系统提供了一个通用的接口，隐藏了底层文件系统的差异性。 ##### 5.2.2 通用文件模型 通用文件模型是Linux文件系统的核心组成部分，主要包括四种对象类型：超级块对象、索引节点对象、文件对象和目录项对象。这些对象共同构成了文件系统的数据结构基础。 - **超级块对象**：存储文件系统的元数据，如文件系统的类型、块大小等。 - **索引节点对象**：包含文件的实际数据信息，如文件的大小、权限等。 - **文件对象**：表示一个已打开的文件，包含了文件描述符等信息。 - **目录项对象**：表示目录条目，链接文件名和索引节点。 ##### 5.2.3 Linux中文件及文件描述符 在Linux中，所有的文件和设备都被视为文件进行操作。文件描述符是一个非负整数，用于标识已经打开的文件。每当一个文件被打开时，内核就会分配一个文件描述符给这个文件，供后续读写操作使用。 - **文件描述符的作用**：作为索引值指向内核中每个进程的打开文件记录表。 - **标准文件描述符**：每个进程默认打开三个文件描述符：标准输入(0)、标准输出(1)和标准错误(2)。 #### 5.3 底层文件I/O操作 ##### 5.3.1 基本文件操作 基本文件操作主要包括文件的打开、关闭、读写等操作。这些操作通常通过系统调用来完成。 - **open函数**：用于打开或创建文件。`int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);` - `pathname`：文件路径。 - `flags`：标志位，用于指定文件的打开方式，如只读(`O_RDONLY`)、只写(`O_WRONLY`)、读写(`O_RDWR`)等。 - `mode`：文件权限，对于新创建的文件，此参数有效，可以指定文件的所有者、用户组和其他用户的访问权限。 - **close函数**：用于关闭文件描述符。`int close(int fd);` - `fd`：要关闭的文件描述符。 - **read函数**：用于从文件描述符中读取数据。`ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);` - `fd`：文件描述符。 - `buf`：读取数据的缓冲区。 - `count`：读取数据的最大长度。 - **write函数**：用于向文件描述符写入数据。`ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);` - `fd`：文件描述符。 - `buf`：写入数据的缓冲区。 - `count`：写入数据的长度。 ##### 5.3.2 文件锁 文件锁用于保证文件在并发环境下的正确访问。在多进程或多线程环境下，文件锁可以防止不同进程同时修改同一个文件导致的数据不一致问题。 - **flock函数**：用于获取或释放文件锁。`int flock(int fd, int operation);` - `fd`：文件描述符。 - `operation`：锁操作类型，如`F_LOCK`表示加锁，`F_ULOCK`表示解锁。 - **fcntl函数**：用于文件描述符的高级控制操作，包括文件锁的设置。`int fcntl(int fd, int cmd, ...);` ##### 5.3.3 多路复用 多路复用技术允许多个输入输出流在一个进程中同时操作，提高了I/O操作的效率。常见的多路复用技术有`select`、`poll`和`epoll`。 - **select函数**：用于监控多个文件描述符的状态变化。`int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);` - `nfds`：最大文件描述符+1。 - `readfds`：要监控的读文件描述符集合。 - `writefds`：要监控的写文件描述符集合。 - `exceptfds`：要监控的异常文件描述符集合。 - `timeout`：超时时间，如果为NULL则表示阻塞等待。 - **poll函数**：与select类似，但没有最大文件描述符数量限制。`int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);` - `fds`：要监控的文件描述符集合。 - `nfds`：文件描述符集合的数量。 - `timeout`：超时时间，单位为毫秒。 通过这些基本概念和技术的了解，我们可以深入理解Linux嵌入式系统中的文件I/O编程，这对于开发高效稳定的嵌入式应用程序至关重要。