Linux下文件I/O详解与DS18B20温度采集

Linux下文件I/O详解

• 1. 文件I/O与标准I/O区别
• 2. 文件描述符
• 3. open / creat函数
• 4. close函数
• 5. lseek函数
• 6. read / write函数
• 7. DS18B20温度采集

1. 文件I/O与标准I/O区别

文件I/O：文件I/O称之为不带缓存的IO（unbuffered I/O)，不带缓存指的是每个read和write都调用内核中的一个系统调用，也就是一般所说的低级I/O——操作系统提供的基本IO服务，与os绑定，特定于Linux或Unix平台。这些不带缓存的I/O函数不是ANSI C的组成部分，但是是P O S I X . 1和X P G 3的组成部分。

标准I/O：标准I/O是ANSI C建立的一个标准I/O模型，是一个标准函数包和stdio.h头文件中的定义，具有一定的可移植性。标准I/O库处理很多细节。例如缓存分配，以优化长度执行I/O等。标准的I/O提供了三种类型的缓存。

它们函数使用的区别如下：
这里不再过多讨论标准I/O，目前只以文件I/O作为讲解。

大多数Unix文件I/O只需用到5个函数：open、read、write、lseek 和 close。

2. 文件描述符

对于内核而言，所有打开文件都由文件描述符引用。文件描述符是一个非负整数。当打开
一个现存文件或创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。当读、写一个文件时，用o p e n或c r e a t返回的文件描述符标识该文件，将其作为参数传送给 r e a d或w r i t e。
默认情况下，程序在开始运行时，系统会自动打开三个文件描述符，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误。POSIX标准要求每次打开文件时（含socket）必须使用当前进程 中最小可用的文件描述符号码，因此第一次打开的文件描述符一定是3。

文件描述符	用途	POSIX文件描述符	标准I/O文件流
0	标准输入	STDIN_FILENO	stdin
1	标准输出	STDOUT_FILENO	stdout
2	标准出错	STDERR_FILENO	stderr

3. open / creat函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int oflag,  ...  /* mode_t m o d e */ ) ;
int creat(const char *pathname, mode_t mode);

//返回：若成功为文件描述符，若出错为- 1

open()系统调用用来打开一个文件，并返回一个文件描述符(file description), 并且该文件描述符是当前进程最小、未使用的 文件描述符数值。

参数：
pathname: 要打开的文件、设备的路径;
oflag: 由多个选项进行或运算构造oflag参数。
必选：

• O_RDONLY (只读)
• O_WRONLY(只写)
• O_RDWR（读写）

可选：

• O_APPEND 每次写时都追加到文件的尾端。
• O_CREAT 文件不存在则创建它，使用该选项需要第三个参数mode
• O_TRUNC 如果文件存在，而且为只写或读写成功打开，则将其长度截取为0；
• O_NONBLOCK 如果path是一个FIFO、块设备、字符特殊文件则此选项为文件的本次打开和后续的I/O操作 设置非阻塞模式方式。
• O_EXEC、O_SEARCH、O_CLOEXEC、O_NOCTTY…

mode: oflag带O_CREAT选项时可以用来创建文件，这时必须带该参数用来指定创建文件的权限模式，如0666。 否则不需要。
注意，以下此函数等价：

/* 两者等价 */
creat(pathname, mode);
open(pathname, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode)　　

在早期的U N I X版本中， o p e n的第二个参数只能是 0、 1或2。没有办法打开一
个尚未存在的文件，因此需要另一个系统调用 c r e a t以创建新文件。现在， o p e n函
数提供了选择项O _ C R E AT和O _ T R U N C，于是也就不再需要c r e a t函数了。

c r e a t的一个不足之处是它以只写方式打开所创建的文件。在提供 o p e n的新版本之前，如果要创建一个临时文件，并要先写该文件，然后又读该文件，则必须先调用 c r e a t， c l o s e，然后再调用o p e n。现在则可用下列方式调用o p e n：

open(pathname, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, mode)　　

4. close函数

可用c l o s e函数关闭一个打开文件：

#include <unistd.h>
/* 关闭打开的文件
 * @return      成功返回0，出错返回-1 */
int close(int fd);

功能：指定相应的文件描述符就可以关闭打开的文件。
参数：fd文件描述符，是open或者creat返回的非负整数。

5. lseek函数

每个打开文件都有一个与其相关联的“当前文件位移量”。它是一个非负整数，用以度量
从文件开始处计算的字节数。 通常，读、写操作都从当前文件位移量处开始，并使位移量增加所读或写的字节数。按系统默认，当打开一个文件时，除非指定O _ A P P E N D选择项，否则该位移量被设置为0。
可以调用l s e e k显式地定位一个打开文件。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int filedes, off_to ffset, int whence) ;
//返回：若成功为新的文件位移，若出错为- 1

对参数offset 的解释与参数w h e n c e的值有关。

• 若w h e n c e是S E E K _ S E T，则将该文件的位移量设置为距文件开始处 offset 个字节。
• 若w h e n c e是S E E K _ C U R，则将该文件的位移量设置为其当前值加offset, offset可为正或负。
• 若w h e n c e是S E E K _ E N D，则将该文件的位移量设置为文件长度加offset, offset可为正或负。

普通文件的偏移量必须是非负整数。偏移量可以大于文件的长度，这样之后的写会形成一个空洞，空洞不占存储，其中的字节被读为0。

6. read / write函数

用r e a d函数从打开文件中读数据。

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
//返回：读到的字节数，若已到文件尾为 0，若出错为- 1

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
//返回：若成功为已写的字节数，若出错为- 1

带符号整数（ ssize_t）；不带符号整数（size_t）。
参数：
fd：相应文件的文件描述符；
buf：读/写的缓冲区；
count：对read，为要读的字节数； 对write，为buf的大小。

read有多种情况可使实际读到的字节数少于要求读字节数：

• 读普通文件时，在读到要求字节数之前已到达了文件尾端。例如，若在到达文件尾端之前还有3 0个字节，而要求读1 0 0个字节，则r e a d返回3 0，下一次再调用r e a d时，它将返回0 (文件尾端)；
• 当从终端设备读时，通常一次最多读一行；
• 当从网络读时，网络中的缓冲机构可能造成返回值小于所要求读的字节数；
• 某些面向记录的设备，例如磁带，一次最多返回一个记录。

7. DS18B20温度采集

文件file_io.c如下：

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

#define BUFSIZE 1024
//#define MSG_STR "Hello World
"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int     fd = -1;
    int     rv = -1;
    char    buf[BUFSIZE];
    float   temper;  

    fd=open("test.txt", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);
    if(fd < 0)
    {

        perror("Open/Create file test.txt failure");
        return 0;
    }
    printf("Open file returned file descriptor [%d]
", fd);
     
    if((get_temper(&temper)) < 0)
    {
        printf("Get temperature failure: %s
", strerror(errno));
    	goto cleanup;
    }

    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    snprintf(buf, sizeof(buf), "%.2f%c", temper, 'C');

    if( (rv=write(fd, buf, strlen(buf))) < 0 )
    {
        printf("Write %d bytes into file failure: %s
", rv, strerror(errno));
        goto cleanup;
    }

    lseek(fd, 0, SEEK_SET);

    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    if( (rv=read(fd, buf, sizeof(buf))) < 0 )
    {
        printf("Read data from file failure: %s
", strerror(errno));
        goto cleanup;
    }
    
    printf("Read %d bytes data from file: %s
", rv, buf);

cleanup:
    close(fd);
    return 0;

}

文件file_io.h如下：

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

/*  温度放置的路径 */
//#define filepath /28-041731f7c0ff/w1_slave

int get_temper(float *temper);

int get_temper(float *temper)
{
    char 	        filepath[120]="/";
    char	        f_name[50];
    char            data_array[1024];
    char            *data_p=NULL;
    struct dirent   *file=NULL;
    DIR             *dir=NULL;
    int             data_fd;
    int             found = -1;
    //float           *temper;

    if((dir = opendir(filepath)) < 0)
    {
        printf("opendir file failure: %s
",strerror(errno));
        return -1;
    }

    while((file = readdir(dir)) != NULL)
    {
        //if((strcmp(file->d_name, ".", 1) == 0) || (strcmp(file->d_name, ".", 1) == 0))
        //continue;               //ignore '.' and '..' file
        if(strstr(file->d_name, "28-")) 
        {   //memset(f_name, 0, sizeof(f_name));
            strncpy(f_name, file->d_name, sizeof(f_name));       //locate reserve temperature data file path
            found = 1;
            printf("reserve temperature data file path: %s
",f_name);
        }
        //closedir(dir);
    }
    closedir(dir);
    /* found == 0; 未找到目的文件夹 */
    if(!found) 
    {
        printf("Can not find the folder
");   
        return 0;
    }
    
    /* 找到相应文件夹后，切换至该文件夹下以获取温度数据 */
    strncat(filepath, f_name, sizeof(filepath)-strlen(filepath));       //将文件夹名连接到filepath路径后
    strncat(filepath, "/w1_slave", sizeof(filepath)-strlen(filepath));  //将设备文件夹下存放温度的文件连接到filepath路径后
    
    //printf("%s
", f_name);
    printf("%s
", filepath );
    data_fd=open(filepath, O_RDONLY);
    if(data_fd < 0) 
    {
        printf("open file failure: %s
", strerror(errno));
        return -2;
    }
    memset(data_array, 0, sizeof(data_array));
    if(read(data_fd, data_array, sizeof(data_array)) < 0)
    {
        printf("read file failure: %s
", strerror(errno));
        return -3;
    }
    /* data_p指针后移两个字符单位，其后即为温度数据 */
    data_p=strstr(data_array, "t=");
    data_p=data_p+2;        //local temperature data 
    *temper=atof(data_p)/1000;    //"()" priority super "/"
    
    close(data_fd);

    return 0;
}

这里是DS18B20温度的采集内容，这里我只取一次温度采集数据，然后分析出温度值。
路径为：/28-041731f7c0ff
文件w1_slave内容如下：

fe 00 4b 46 7f ff 0c 10 56 : crc=56 YES
fe 00 4b 46 7f ff 0c 10 56 t=15875

其运行结果为：