【Linux操作系统】深入理解系统调用中的read和write函数

在操作系统中，系统调用是用户程序与操作系统之间进行交互的重要方式。其中，read和write函数是常用的系统调用函数，用于在用户程序和操作系统之间进行数据的读取和写入。本文将深入介绍read和write函数的工作原理、用法以及示例代码，以帮助读者更好地理解和应用这两个函数。

文章目录

1. read函数的工作原理及用法：

1.1 函数原型和参数

read函数用于从文件描述符中读取数据，并将数据存储到缓冲区中。

其函数原型如下：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

其中，fd是文件描述符，buf是存放读取数据的缓冲区，count是要读取的字节数。read函数返回实际读取的字节数，如果返回 -1 表示读取失败。

官方手册的解释：
　
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1.2 代码举例

下面是一个使用read函数从文件中读取数据的示例代码：

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

int main() {
    
    
    int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
    char buffer[1024];
    ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytesRead == -1) {
    
    
        perror("read");
        return 1;
    }
    printf("Read %ld bytes: %s\n", bytesRead, buffer);
    close(fd);
    return 0;
}

1.3 代码解释

在上述示例代码中，首先使用open函数打开一个名为file.txt的文件，并以只读方式打开。然后，read函数从文件中读取数据，并将数据存储到buffer中，最后通过printf函数输出读取的数据。

2. write函数的工作原理及用法：

2.1 函数原型和参数

write函数用于将数据从缓冲区写入到文件描述符中。

其函数原型如下：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

其中，fd是文件描述符，buf是存放待写入数据的缓冲区，count是要写入的字节数。write函数返回实际写入的字节数，如果返回 -1 表示写入失败。

官方手册的解释：

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2.2 代码举例

下面是一个使用write函数将数据写入文件的示例代码：

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

int main() {
    
    
    int fd = open("file.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    char *data = "Hello, world!";
    ssize_t bytesWritten = write(fd, data, strlen(data));
    if (bytesWritten == -1) {
    
    
        perror("write");
        return 1;
    }
    printf("Written %ld bytes\n", bytesWritten);
    close(fd);
    return 0;
}

2.3代码解释

在上述示例代码中，首先使用open函数创建一个名为file.txt的文件，并以只写方式打开。然后，write函数将字符串"Hello, world!"写入到文件中，最后通过printf函数输出写入的字节数。

3. 文件描述符

3.1 进程控制块

进程控制块（Process Control Block，PCB）是操作系统中用于管理和控制进程的数据结构。每个正在运行或等待运行的进程都有一个对应的PCB，它包含了进程的各种属性和状态信息。

PCB通常是一个数据结构，其中包含了以下信息：

进程标识符（Process Identifier，PID）：用于唯一标识一个进程。
程序计数器（Program Counter，PC）：记录了下一条要执行的指令的地址。
寄存器集合：包括通用寄存器、指令寄存器、栈指针等，用于保存进程的上下文信息。
进程状态（Process State）：表示进程的当前状态，如运行、就绪、等待等。
进程优先级（Process Priority）：用于确定进程在调度时的优先级顺序。
进程调度信息：包括进程的调度策略、时间片大小等。
进程资源管理信息：包括进程所拥有的资源、打开的文件等。
父进程标识符（Parent Process Identifier，PPID）：记录了创建该进程的父进程的PID。
进程创建时间和运行时间：记录了进程的创建时间和运行时间。
内存管理信息：包括进程的内存分配情况、页面表等。
文件描述符表：记录了进程打开的文件和对应的文件描述符。

PCB是操作系统中非常重要的数据结构，它存储了进程的所有关键信息，使得操作系统能够对进程进行管理和调度。当操作系统需要切换进程时，会保存当前进程的上下文信息到其对应的PCB中，并加载下一个进程的上下文信息。这样可以实现进程的切换和并发执行。

3.2 什么是文件操作符

文件描述符可以被看作是操作系统为了管理打开的文件或设备而分配的一个标识符。它是一个整数值，用于标识一个特定的文件或设备。

想象一下，你在操作系统中打开了一个文件或设备，比如一个文本文件或一个串口设备。操作系统会为这个文件或设备分配一个文件描述符，并将其返回给你。这个文件描述符就像是一个门牌号，用于标记这个文件或设备。

当你想对这个文件或设备进行读取、写入或关闭等操作时，你只需要告诉操作系统使用这个文件描述符，操作系统就会知道你要操作的是哪个文件或设备。

文件描述符的具体值是一个非负整数，通常从0开始递增。操作系统会使用一个文件描述符表来记录所有打开的文件或设备的信息，包括文件的位置、读写权限等。当你使用文件描述符进行操作时，操作系统会根据文件描述符找到对应的文件信息，并执行相应的操作。

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3.3 特殊的文件描述符

标准输入（Standard Input，STDIN）：标准输入文件描述符，通常用整数值0表示；在C语言中，可以使用宏定义STDIN_FILENO来表示标准输入。它用于接收用户的输入，比如键盘输入。

#include <unistd.h>

int main() {
    
    
    char buffer[100];
    ssize_t bytesRead = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer));
    // 从标准输入读取数据
    // ...
    return 0;
}

标准输出（Standard Output，STDOUT）：通常用整数值1来表示。在C语言中，可以使用宏定义STDOUT_FILENO来表示标准输出。它用于向屏幕或终端输出信息。

#include <unistd.h>

int main() {
    
    
    char buffer[] = "Hello, World!";
    ssize_t bytesWritten = write(STDOUT_FILENO, buffer, sizeof(buffer));
    // 将数据输出到标准输出
    // ...
    return 0;
}

标准输入（Standard Input，STDIN）：通常用整数值2来表示。在C语言中，可以使用宏定义STDERR_FILENO来表示标准错误。它用于接收用户的输入，比如键盘输入。

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

int main() {
    
    
    fprintf(stderr, "An error occurred!\n");
    // 输出错误信息到标准错误
    // ...
    return 0;
}