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实例

实例——fopen和getc函数的实现

下面以标准库函数fopen和getc的一种实现方法为例来说明如何将这些系统调用结合

起来使用。

我们回忆一下，标准库中的文件不是通过文件描述符描述的，而是使用文件指针描述的。

文件指针是一个指向包含文件各种信息的结构的指针，该结构包含下列内容：

一个指向缓冲

区的指针，通过它可以一次读入文件的一大块内容；一个记录缓冲区中剩余的字符数的计数

器；一个指向缓冲区中下一个字符的指针；文件描述符；描述读／写模式的标志；描述错误

状态的标志等。

描述文件的数据结构包含在头文件中，任何需要使用标准输入／输出库中函

数的程序都必须在源文件中包含这个头文件（通过#include指令包含头文件）。

此文件也被

库中的其它函数包含。

在下面这段典型的代码段中，只供标准库中其它函数所使

用的名字以下划线开始，因此一般不会与用户程序中的名字冲突。

所有的标准库函数都遵循

该约定。

#defineNULL0

#defineEOF（-1）

#defineBUFSIZ1024

#defineOPEN_MAX20/*max#filesopenatonce*/

typedefstruct_iobuf{

intcnt;/*charactersleft*/

char*ptr;/*nextcharacterposition*/

char*base;/*locationofbuffer*/

intflag;/*modeoffileaccess*/

intfd;/*filedescriptor*/

}FILE;

externFILE_iob[OPEN_MAX];

#definestdin（&_iob[0]）

#definestdout（&_iob[1]）

#definestderr（&_iob[2]）

enum_flags{

_READ=01,/*fileopenforreading*/

_WRITE=02,/*fileopenforwriting*/

_UNBUF=04,/*fileisunbuffered*/

_EOF=010,/*EOFhasoccurredonthisfile*/

_ERR=020/*erroroccurredonthisfile*/

};

int_fillbuf（FILE*）;

int_flushbuf（int,FILE*）;

#definefeof（p）（（p）->flag&_EOF）!

=0）

#defineferror（p）（（p）->flag&_ERR）!

=0）

#definefileno（p）（（p）->fd）

#definegetc（p）（--（p）->cnt>=0\

?

（unsignedchar）*（p）->ptr++:

_fillbuf（p））

#defineputc（x,p）（--（p）->cnt>=0\

?

*（p）->ptr++=（x）:

_flushbuf（（x）,p））

#definegetchar（）getc（stdin）

#defineputcher（x）putc（（x）,stdout）

宏getc一般先将计数器减1，将指针移到下一个位置，然后返回字符。

（前面讲过，一

个长的#define语句可用反斜杠分成几行。

）但是，如果计数值变为负值，getc就调用函数

_fillbuf填充缓冲区，重新初始化结构的内容，并返回一个字符。

返回的字符为unsigned

类型。

以确保所有的字符为正值。

尽管在这里我们并不想讨论一些细节，但程序中还是给出了putc函数的定义，以表明它

的操作与getc函数非常类似，当缓冲区满时，它将调用函数_flushbuf。

此外，我们还在

其中包含了访问错误输出、文件结束状态和文件描述符的宏。

下面我们来着手编写函数fopen。

fopen函数的主要功能是打开文件，定位到合适的位

置，设置标志位以指示相应的状态。

它不分配任何缓冲区空间，缓冲区的分配是在第一次读

文件时由函数_fillbuf完成的。

#include

#include"syscalls.h"

#definePERMS0666/*RWforowner,group,others*/

FILE*fopen（char*name,char*mode）

{

intfd;

FILE*fp;

if（*mode!

='r'&&*mode!

='w'&&*mode!

='a'）

returnNULL;

for（fp=_iob;fp<_iob+OPEN_MAX;fp++）

if（（fp->flag&（_READ|_WRITE））==0）

break;/*foundfreeslot*/

if（fp>=_iob+OPEN_MAX）/*nofreeslots*/

returnNULL;

if（*mode=='w'）

fd=creat（name,PERMS）;

elseif（*mode=='a'）{

if（（fd=open（name,O_WRONLY,0））==-1）

fd=creat（name,PERMS）;

lseek（fd,0L,2）;

}else

fd=open（name,O_RDONLY,0）;

if（fd==-1）/*couldn'taccessname*/

returnNULL;

fp->fd=fd;

fp->cnt=0;

fp->base=NULL;

fp->flag=（*mode=='r'）?

_READ:

_WRITE;

returnfp;

}

该版本的fopen函数没有涉及标准C的所有访问模式，但是，加入这些模式并不需要增加多

少代码。

特别是，该版本的fopen不能识别表示二进制访问方式的b标志，这是因为，在

UNIX系统中这种方式是没有意义的。

同时，它也不能识别允许同时进行读和写的+标志。

对于某一特定的文件，第一次调用getc函数时计数值为0，这样就必须调用一次函数

_fillbuf。

如果_fillbuf发现文件不是以读方式打开的，它将立即返回EOF；否则，它将

试图分配一个缓冲区（如果读操作是以缓冲方式进行的话）。

建立缓冲区后，_fillbuf调用read填充此缓冲区，设置计数值和指针，并返回缓冲区

中的第一个字符。

随后进行的_fillbuf调用会发现缓冲区已经分配。

#include"syscalls.h"

/*_fillbuf:

allocateandfillinputbuffer*/

int_fillbuf（FILE*fp）

{

intbufsize;

if（（fp->flag&（_READ|_EOF_ERR））!

=_READ）

returnEOF;

bufsize=（fp->flag&_UNBUF）?

1:

BUFSIZ;

if（fp->base==NULL）/*nobufferyet*/

if（（fp->base=（char*）malloc（bufsize））==NULL）

returnEOF;/*can'tgetbuffer*/

fp->ptr=fp->base;

fp->cnt=read（fp->fd,fp->ptr,bufsize）;

if（--fp->cnt<0）{

if（fp->cnt==-1）

fp->flag|=_EOF;

else

fp->flag|=_ERR;

fp->cnt=0;

returnEOF;

}

return（unsignedchar）*fp->ptr++;

}

最后一件事情便是如何执行这些函数。

我们必须定义和初始化数组_iob中的stdin、

stdout和stderr值：

FILE_iob[OPEN_MAX]={/*stdin,stdout,stderr*/

{0,（char*）0,（char*）0,_READ,0},

{0,（char*）0,（char*）0,_WRITE,1},

{0,（char*）0,（char*）0,_WRITE,|_UNBUF,2}

};

该结构中flag部分的初值表明，将对stdin执行读操作、对stdout执行写操作、对stderr

执行缓冲方式的写操作。

练习8-2用字段代替显式的按位操作，重写fopen和_fillbuf函数。

比较相应代

码的长度和执行速度。

练习8-3设计并编写函数_flushbuf、fflush和fclose。

练习8-4标准库函数

intfseek（FILE*fp,longoffset,intorigin）

类似于函数lseek，所不同的是，该函数中的fp是一个文件指针而不是文件描述符，且返回

值是一个int类型的状态而非位置值。

编写函数fseek，并确保该函数与库中其它函数使用

的缓冲能够协同工作。

8.6.实例——目录列表

我们常常还需要对文件系统执行另一种操作，以获得文件的有关信息，而不是读取文件

的具体内容。

目录列表程序便是其中的一个例子，比如__________UNIX命令ls，它打印一个目录中的文

件名以及其它一些可选信息，如文件长度、访问权限等等。

MS-DOS操作系统中的dir命令也

有类似的功能。

由于UNIX中的目录就是一种文件，因此，ls只需要读此文件就可获得所有的文件名。

但

是，如果需要获取文件的其它信息，比如长度等，就需要使用系统调用。

在其它一些系统中，

甚至获取文件名也需要使用系统调用，例如在MS-DOS系统中即如此。

无论实现方式是否同

具体的系统有关，我们需要提供一种与系统无关的访问文件信息的途径。

以下将通过程序fsize说明这一点。

fsize程序是ls命令的一个特殊形式，它打印命令

行参数表中指定的所有文件的长度。

如果其中一个文件是目录，则fsize程序将对此目录递

归调用自身。

如果命令行中没有任何参数，则fsize程序处理当前目录。

我们首先回顾UNIX文件系统的结构。

在UNIX系统中，目录就是文件，它包含了一个

文件名列表和一些指示文件位置的信息。

“位置”是一个指向其它表（即i结点表）的索引。

文件的i结点是存放除文件名以外的所有文件信息的地方。

目录项通常仅包含两个条目：

文件

名和i结点编号。

遗憾的是，在不同版本的系统中，目录的格式和确切的内容是不一样的。

因此，为了分

离出不可移植的部分，我们把任务分成两部分。

外层定义了一个称为Dirent的结构和3个

函数opendir、readdir和closedir，它们提供与系统无关的对目录项中的名字和i结点

编号的访问。

我们将利用此接口编写fsize程序，然后说明如何在与Version7和SystemV

UNIX系统的目录结构相同的系统上实现这些函数。

其它情况留作练习。

结构Dirent包含i结点编号和文件名。

文件名的最大长度由NAMZ_MAX设定，NAME_MAX

的值由系统决定。

opendir返回一个指向称为DIR的结构的指针，该结构与结构FILE类似，

它将被readdir和closedir使用。

所有这些信息存放在头文件dirent.h中。

#defineNAME_MAX14/*longestfilenamecomponent;*/

/*system-dependent*/

typedefstruct{/*portabledirectoryentry*/

longino;/*inodenumber*/

charname[NAME_MAX+1];/*name+'\0'terminator*/

}Dirent;

typedefstruct{/*minimalDIR:

nobuffering,etc.*/

intfd;/*filedescriptorforthedirectory*/

Direntd;/*thedirectoryentry*/

}DIR;

DIR*opendir（char*dirname）;

Dirent*readdir（DIR*dfd）;

voidclosedir（DIR*dfd）;

系统调用stat以文件名作为参数，返回文件的i结点中的所有信息；若出错，则返回-1。

如下所示：

char*name;

structstatstbuf;

intstat（char*,structstat*）;

stat（name,&stbuf）;

它用文件name的i结点信息填充结构stbuf。

头文件中包含了描述stat

的返回值的结构。

该结构的一个典型形式如下所示：

structstat/*inodeinformationreturnedbystat*/

{

dev_tst_dev;/*deviceofinode*/

ino_tst_ino;/*inodenumber*/

shortst_mode;/*modebits*/

shortst_nlink;/*numberoflinkstofile*/

shortst_uid;/*ownersuserid*/

shortst_gid;/*ownersgroupid*/

dev_tst_rdev;/*forspecialfiles*/

off_tst_size;/*filesizeincharacters*/

time_tst_atime;/*timelastaccessed*/

time_tst_mtime;/*timelastmodified*/

time_tst_ctime;/*timeoriginallycreated*/

};

该结构中大部分的值已在注释中进行了解释。

dev_t和ino_t等类型在头文件

中定义，程序中必须包含此文件。

st_mode项包含了描述文件的一系列标志，这些标志在中定义。

我们只

需要处理文件类型的有关部分：

#defineS_IFMT0160000/*typeoffile:

*/

#defineS_IFDIR0040000/*directory*/

#defineS_IFCHR0020000/*characterspecial*/

#defineS_IFBLK0060000/*blockspecial*/

#defineS_IFREG0010000/*regular*/

/*...*/

下面我们来着手编写程序fsize。

如果由stat调用获得的模式说明某文件不是一个目

录，就很容易获得该文件的长度，并直接输出。

但是，如果文件是一个目录，则必须逐个处

理目录中的文件。

由于该目录可能包含子目录，因此该过程是递归的。

主程序main处理命令行参数，并将每个参数传递给函数fsize。

#include

#include

#include"syscalls.h"

#include/*flagsforreadandwrite*/

#include/*typedefs*/

#include/*structurereturnedbystat*/

#include"dirent.h"

voidfsize（char*）

/*printfilename*/

main（intargc,char**argv）

{

if（argc==1）/*default:

currentdirectory*/

fsize（"."）;

else

while（--argc>0）

fsize（*++argv）;

return0;

}

函数fsize打印文件的长度。

但是，如果此文件是一个目录，则fsize首先调用dirwalk

函数处理它所包含的所有文件。

注意如何使用文件中的标志名S_IFMT和

S_IFDIR来判定文件是不是一个目录。

括号是必须的，因为&运算符的优先级低于==运算符

的优先级。

intstat（char*,structstat*）;

voiddirwalk（char*,void（*fcn）（char*））;

/*fsize:

printthenameoffile"name"*/

voidfsize（char*name）

{

structstatstbuf;

if（stat（name,&stbuf）==-1）{

fprintf（stderr,"fsize:

can'taccess%s\n",name）;

return;

}

if（（stbuf.st_mode&S_IFMT）==S_IFDIR）

dirwalk（name,fsize）;

printf（"%8ld%s\n",stbuf.st_size,name）;

}

函数dirwalk是一个通用的函数，它对目录中的每个文件都调用函数fcn一次。

它首

先打开目录，循环遍历其中的每个文件，并对每个文件调用该函数，然后关闭目录返回。

因

为fsize函数对每个目录都要调用dirwalk函数，所以这两个函数是相互递归调用的。

#defineMAX_PATH1024

/*dirwalk:

applyfcntoallfilesindir*/

voiddirwalk（char*dir,void（*fcn）（char*））

{

charname[MAX_PATH];

Dirent*dp;

DIR*dfd;

if（（dfd=opendir（dir））==NULL）{

fprintf（stderr,"dirwalk:

can'topen%s\n",dir）;

return;

}

while（（dp=readdir（dfd））!

=NULL）{

if（strcmp（dp->name,"."）==0

||strcmp（dp->name,".."））

continue;/*skipselfandparent*/

if（strlen（dir）+strlen（dp->name）+2>sizeof（name））

fprintf（stderr,"dirwalk:

name%s%stoolong\n",

dir,dp->name）;

else{

sprintf（name,"%s/%s",dir,dp->name）;

（*fcn）（name）;

}

}

closedir（dfd）;

}

每次调用readdir都将返回一个指针，它指向下一个文件的信息。

如果目录中已没有待处理

的文件，该函数将返回NULL。

每个目录都包含自身“.”和父目录“..”的项目，在处理时

必须跳过它们，否则将会导致无限循环。

到现在这一步为止，代码与目录的格式无关。

下一步要做的事情就是在某个具体的系统

上提供一个opendir、readdir和closedir的最简单版本。

以下的函数适用于Version7

和SystemVUNIX系统，它们使用了头文件（sys/dir.h>中的目录信息，如下所示：

#ifndefDIRSIZ

#defineDIRSIZ14

#endif

structdirect{/*directoryentry*/

ino_td_ino;/*inodenumber*/

chard_name[DIRSIZ];/*longnamedoesnothave'\0'*/

};

某些版本的系统支持更长的文件名和更复杂的目录结构。

类型ino_t是使用typedef定义的类型，它用于描述i结点表的索引。

在我们通常使用

的系统中，此类型为unsignedshort，但是这种信息不应在程序中使用。

因为不同的系统

中该类型可能不同，所以使用typedef定义要好一些。

所有的“系统”类型可以在文件

opendir函数首先打开目录，验证此文件是一个目录（调用系统调用fstat，它与stat

类似，但它以文件描述符作为参数），然后分配一个目录结构，并保存信息：

intfstat（intfd,structstat*）;

/*opendir:

openadirectoryforreaddircalls*/

DIR*opendir（char*dirname）

{

intfd;

structstatstbuf;

DIR*dp;

if（（fd=open（dirname,O_RDONLY,0））==-1

||fstat（fd,&stbuf）==-1

||（stbuf.st_mode&S_IFMT）!

=S_IFDIR

||（dp=（DIR*）malloc（sizeof（DIR）））==NULL）

returnNULL;

dp->fd=fd;

returndp;

}

closedir函数用于关闭目录文件并释放内存空间：

/*closedir:

closedirectoryopenedbyopendir*/

voidclosedir（DIR*dp）

{

if（dp）{

close（dp->fd）;

free（dp）;

}

}

最后，函数readdir使用read系统调用读取每个目录项。

如果某个目录位置当前没有

使用（因为删除了一个文件），则它的i结点编号为0，并跳过该位置。

否则，将i结点编号

和目录名放在一个static类型的结构中，并给用户返回一个指向此结构的指针。

每次调用

readdir函数将覆盖前一次调用获得的信息。

#include/*localdirectorystructure*/

/*readdir:

readdirectoryentriesinsequence*/

Dirent*readdir（DIR*dp）

{

structdirectdirbu