【linux应用软件编程】文件操作学习3【目录IO、出错处理及framebuffer基础操作】

前言

上篇文章我们学习了文件相关基础知识及标准IO和文件IO，这篇文章，我们主要是对文件IO的一个补充即目录IO的学习，还有对出错处理的一个学习，以及对之前C语言五子棋项目实战中framebuffer帧缓存技术的补充学习。下面是之前相关知识的博客文章，感兴趣的可以看一看：
文件相关基础知识及【标准IO】
文件IO及文件IO与标准IO的区别
基于【C语言】和【framebuffer】的五子棋游戏项目

一、目录IO

1. 打开目录文件：opendir()
2. 读取目录文件：readdir()
3. 关闭目录文件：closedir()

1.1 打开目录文件：opendir()

• 函数原型：

  #include<sys/types.h>#include<dirent.h>DIR*opendir(constchar*name);

• 功能：

  打开目录文件并获得目录流指针。

• 参数：

  name：目录文件名。

• 返回值：

  成功：返回目录流指针；
  失败：返回NULL。

1.2 读取目录文件：readdir()

• 函数原型：

  #include<dirent.h>structdirent*readdir(DIR*dirp);

• 功能：

  从目录流中读取数据。

• 参数：

  dirp：目录流指针。

• 返回值：

  成功：；
  文件末尾：NULL；
  失败：NULL。

1.3 关闭目录文件：closedir()

• 函数原型：

  #include<sys/types.h>#include<dirent.h>intclosedir(DIR*dirp);

• 功能：

  关闭目录文件。

• 参数：

  dirp：目录流指针。

• 返回值：

  成功：返回0；
  失败：返回-1.

1.4 文件夹创建：mkdir()

• 函数原型：

#include<sys/stat.h>#include<sys/types.h>intmkdir(constchar*pathname,mode_tmode);

• 功能：

  创建一个文件夹。

• 参数：

  pathname：创建的文件夹的名称；
  mode：权限设置。

• 返回值：

  成功：返回0；
  失败：返回-1。

1.5 使用示例：目录遍历

通过调用opendir打开上级目录，通过readdir循环读取目录项信息，打印每个文件的文件名、inode 编号，依据dirent结构体中的d_type字段识别并输出文件类型，最后调用closedir关闭目录，完成目录遍历。

#include<stdio.h>#include<dirent.h>voidget_type(structdirent*pinfo){switch(pinfo->d_type){caseDT_BLK:printf("%s : b\n",pinfo->d_name);break;caseDT_CHR:printf("%s : c\n",pinfo->d_name);break;caseDT_DIR:printf("%s : d\n",pinfo->d_name);break;caseDT_FIFO:printf("%s : p\n",pinfo->d_name);break;caseDT_LNK:printf("%s : l\n",pinfo->d_name);break;caseDT_REG:printf("%s : -\n",pinfo->d_name);break;caseDT_SOCK:printf("%s : s\n",pinfo->d_name);break;default:printf("%s : unknow\n",pinfo->d_name);break;}}intmain(){DIR*pdir=opendir("..");if(NULL==pdir){printf("opendir error!\n");return-1;}while(1){structdirent*pinfo=readdir(pdir);if(NULL==pinfo){break;}printf("%s : %ld\n",pinfo->d_name,pinfo->d_ino);get_type(pinfo);}closedir(pdir);return0;}

二、出错处理

2.1 strerror

• 函数原型：

  #include<string.h>char*strerror(interrnum);

• 功能：

  将错误码转化为对应的错误信息字符串。

• 参数：

  errnum：错误码（errno）。

• 返回值：

  成功：返回对应错误信息字符串的首地址；
  失败：返回NULL。

• 注意：

  使用errno需要包含errno.h这个头文件。

2.2 perror

• 函数原型：

  #include<stdio.h>voidperror(constchar*s);

• 功能：

  打印自己的出错信息和系统给出的出错原因。

• 参数：

  自己的出错信息字符串。

• 返回值：

  无返回值。

三、framebuffer

3.1 什么是framebuffer：

1. 帧缓存、帧缓冲技术；
2. 是Linux为显示设备提供的一个接口，把显存抽象后的一种设备文件，通过该设备文件可以实现应用层向显存空间的数据写入，从而实现像素点的绘制。

3.2 如何操作framebuffer

通过内存映射技术，可以实现显存空间和用户空间的内存映射，通过向用户空间写入RGB颜色值，从而实现显存数据的写入。

像素点位数/位深度的种类：

• RGB888 四个字节
• RGB565 两个字节

framebuffer的操作流程：

1. 打开显示设备文件/dev/fb0；
2. 获取显示设备的相关参数（分辨率、像素点位数/位深度）；
3. 建立内存映射；
4. 写入RGB颜色值；
5. 解除内存映射；
6. 关闭显示设备文件。

3.2.1 打开显示设备文件

通过我们的文件IO的函数接口open()打开framebuffer的设备文件，它在/dev/fb0这个目录下，

//1. 打开fb=open("/dev/fb0",O_RDWR);if(-1==fb){perror("open /dev/fb0 error");return-1;}

3.2.2 获取显示设备的相关参数

我们通过ioctl()这个系统调用的函数接口来获取设备的相关参数；

它的描述是这样的：
ioctl()系统调用用于操控特殊文件底层对应的设备参数。参数fd必须是一个已经成功打开的文件描述符。第二个参数是依赖具体设备的请求命令码（request）。不同驱动，命令码含义完全不一样，没有全局统一标准。第三个参数是一个无类型的内存指针。历史上C 语言还没有void*时，这里约定使用char *argp，所以手册后续讲解中将它命名为argp。也就是原型里的可变参数，你可以传任意类型指针。

在linux@ubuntu:/usr/include/linux$这个路径下的的fb.h文件是Linux 液晶屏帧缓冲驱动专用头文件，里面定义了 Framebuffer 设备 (/dev/fb0) 所有可用的ioctl命令码。

例如：

1. FBIOGET_VSCREENINFO：这个宏就是我们现在需要的获取虚拟屏幕可变信息的命令码（分辨率、色深、像素格式等）。
2. 还有这个：struct fb_var_screeninfo 可变屏幕信息结构体：

   structfb_var_screeninfo{__u32 xres;/* visible resolution */__u32 yres;__u32 xres_virtual;/* virtual resolution */__u32 yres_virtual;__u32 xoffset;/* offset from virtual to visible */__u32 yoffset;/* resolution */__u32 bits_per_pixel;/* guess what */__u32 grayscale;/* 0 = color, 1 = grayscale, *//* >1 = FOURCC */structfb_bitfieldred;/* bitfield in fb mem if true color, */structfb_bitfieldgreen;/* else only length is significant */structfb_bitfieldblue;structfb_bitfieldtransp;/* transparency */__u32 nonstd;/* != 0 Non standard pixel format */__u32 activate;/* see FB_ACTIVATE_* */__u32 height;/* height of picture in mm */__u32 width;/* width of picture in mm */__u32 accel_flags;/* (OBSOLETE) see fb_info.flags */};

   成员变量	含义说明
   xres/yres	可见屏幕分辨率（实际 LCD 显示宽高像素） 例：800×480，xres=800，yres=480
   xres_virtual/yres_virtual	虚拟显存分辨率 显存可以开辟一块比屏幕更大的画布，用于硬件滚屏、双缓冲。 例如虚拟高度设为yres*2实现页面翻页
   xoffset/yoffset	显示偏移量：从虚拟显存的(xoffset,yoffset)位置开始截取画面输出到屏幕 修改yoffset配合大的yres_virtual，即可实现硬件滚动 (Panning)
   bits_per_pixel	每个像素占用比特数，色深 常见值：16 (RGB565)、24 (RGB888)、32 (RGBA8888)
   grayscale	灰度模式标志 0= 彩色；1= 灰度；大于 1 代表使用 FOURCC 压缩图像格式
   red/green/blue/transp	RGB 分量位域信息，struct fb_bitfield结构体 包含每个颜色通道：起始偏移位、占用位数。 👉RGB565：红占 5bit，绿占 6bit，蓝占 5bit
   nonstd	非标准像素格式标记，非 0 代表不是标准 RGB 格式
   activate	参数生效时机。控制调用FBIOPUT_VSCREENINFO后，新分辨率是立刻生效还是等到下一次 vsync 垂直同步
   height/width	屏幕物理尺寸，单位：毫米 (mm)，用于计算 DPI，不影响像素绘图
   accel_flags	硬件加速标志，已经废弃，不再使用

代码示例：

//2. 获取显示设备的相关参数structfb_var_screeninfovinfo;intret=ioctl(fb,FBIOGET_VSCREENINFO,&vinfo);if(-1==ret){perror("ioctl error");return-1;}printf("vinfo.xres = %d, vinfo.yres = %d\n",vinfo.xres,vinfo.yres);printf("vinfo.xres_virtual = %d, vinfo.yres_virtual = %d\n",vinfo.xres_virtual,vinfo.yres_virtual);printf("vinfo.bits_per_pixel = %d\n",vinfo.bits_per_pixel);

3.2.3 建立内存映射

以这两张图为例：Linux帧缓冲通过mmap将位于内核空间的物理显存映射到用户进程虚拟地址空间，程序获得映射指针pmem后，便可利用公式*(pmem + y*w + x)直接计算像素偏移，通过指针赋值直接修改显存数据，无需调用read/write，显存更新后硬件自动刷新到800×600的显示屏上，实现屏幕绘图。显存可开辟一块大于实际屏幕xres × yres的虚拟画布xres_virtual × yres_virtual，屏幕仅截取画布的一部分画面进行显示，修改x_offset、y_offset显示偏移量，无需移动显存像素数据，就能快速切换可视区域，从而实现硬件滚屏、双缓冲翻页效果。

• mmap()
  • 函数原型：

    #include<sys/mman.h>void*mmap(void*addr,size_tlength,intprot,intflags,intfd,off_toffset);

  • 功能

    建立文件和用户空间的内存映射。

  • 参数

    addr：要映射的用户空间的首地址，一般情况下填NULL，让内核自己寻找一块连续的内存空间，并将空间首地址返回；
    length：要映射的用户空间大小；
    prot：对映射空间的读写权限
    1. PROT_READ
    2. PROT_WRITE
    flags：MAP_SHARED（共享映射区域）
    fd：要映射的文件描述符；
    offset：映射的偏移量

  • 返回值

    成功：返回映射到的用户空间首地址；
    失败：返回MAP_FAILED((void *)-1)。

内存映射代码示例：

void*pmem=NULL;//3. 建立内存映射len=vinfo.xres_virtual*vinfo.yres_virtual*vinfo.bits_per_pixel/8;pmem=mmap(NULL,len,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fb,0);if(MAP_FAILED==pmem){perror("mmap error");return-1;}

3.2.4 写入RGB颜色值；

首先校验像素坐标是否超出可视屏幕范围，随后基于虚拟显存宽度计算目标像素的内存偏移，通过显存映射指针pmem直接向帧缓冲写入指定颜色值，完成单点绘制。

voidshow_point(intx,inty,unsignedintcol){//4. 写入RGB颜色值if(x>=vinfo.xres||y>=vinfo.yres){return;}*((unsignedint*)pmem+y*vinfo.xres_virtual+x)=col;}

3.2.5 解除内存映射与关闭显示设备文件

• munmap()

  • 函数原型：

    #include<sys/mman.h>intmunmap(void*addr,size_tlength);

  • 功能：

    解除mmap()建立的内存映射，释放用户空间与物理显存之间的映射关系；取消后不能再通过该指针访问显存，关闭帧缓冲文件前必须调用。

  • 参数：

    1. addr：mmap返回的映射起始虚拟地址（如前面的pmem）
    2. length：需要解除映射的内存字节长度，显存映射大小（finfo.smem_len）

  • 返回值：

    成功：返回0
    失败：返回-1，并设置errno错误号

代码示例：

voiddeinit_fb(){//5. 解除内存映射；munmap(pmem,len);//6. 关闭显示设备文件。close(fb);}

通过这些步骤我们就可以绘制一个点了，再借助这个点绘制的函数接口，我们就可以进一步封装其他绘制函数了，等下一篇文章我将进一步分享通过framebuffer绘制bmp格式图片的方法。