系统IO

1、系统IO：Linux提供给应用程序操作文件（普通文件、设备文件）的接口

与标准IO的区别：

1、标准IO是系统IO的包装，在标准IO的实现中，实际上调用了系统IO提供的函数。
2、标准IO只处理普通文件，系统IO可以处理所有类型

文件:设备文件，网络文件。

文件描述符：file description ,fd

实际上，系统中是以整数形式存储这个文件描述符，要操作某个文件，必须先获得该文件描述符，就类似于学号，具有唯一性。
fd是操作系统分配的
操作系统会为所有程序提供三个文件描述符
- 0 :标准输入
- 1 :标准输出
- 2 :标准错误

2. linux系统IO的API函数

2.1 打开、关闭文件

（1）open：用来打开或创建一个文件open and possibly create a file or device

       #include <sys/types.h>
       #include <sys/stat.h>
       #include <fcntl.h>
       int open(const char *pathname, int flags);
       int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

参数：
- pathname: 要打开或创建的文件名(带路径)
- flags: 打开标识:包括主标识 + 副标识
- 主标识：（必须三选一）
  - O_RDONLY : read only 只读打开
  - O_WRONLY : write only 只写打开
  - O_RDWR : read and write 读写打开
  - 副标识：根据需求选择，可以多选也可以没有，多选时两个标识之间用|连接
    - O_APPEND: 追加方式
    - O_CREAT: 创建标志(如果文件不存在则创建),注意最后没有字母E
    - O_EXCL: 该标志一般和O_CREAT配合使用，用来测试文件是否存在。如果指定　O_CREAT | O_EXCL ,如果文件存在，则open会失败，并且　errno == EEXIST
      perror才能打印出errno来，printf不行。
    - O_TRUNC: truncate 截短标记
      假如文件存在，并且是一个普通文件，而且打开方式是O_RDWR or O_WRONLY ,则O_TRUNC会清空文件的内容。
    - O_TRUNC | O_RDONLY -> O_TRUNC不会起作用！！
- mode: 当创建文件O_CREAT时，需要第三个参数表示创建这个文件的权限，如果不是创建文件，则第三个参数会被忽略
- 文件的权限有两种方式指定:
- (1) 宏
  - S_IRUSR(用户可读) S_IWUSR(用户可写)S_IXUSR(用户可执行)
  - S_IRGRP(组用户可读) S_IWGRP S_IXGRP
  - S_IROTH(其它用户可读) S_IWOTH S_IXOTH
    - 例如：指定文件权限 110 100 100 0644
      S_IRUSR|S_IWUSR | S_IRGRP |S_IROTH
- (2) 八进制的方式
  如: 0644、0400、0755
  - 返回值: 成功返回打开的那个文件的文件描述符(>=0),该文件描述符用来指定此打开的文件，
  - 后续所有对该文件的操作都必须通过它，所以该文件描述符需要保存！
  - 失败返回-1, 同时errno被设置。
（2）close用来关闭一个文件描述符

#include <unistd.h>
int close(int fd);

2.2 读、写文件

（1）read

        #include <unistd.h>
        ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

含义：read用来从fd指定的文件中，读取count个字节到，buf指定的内存空间中去。
参数：
fd: 文件描述符，指定从哪个文件中读取数据
buf: 指向一段内存空间，表示数据读到哪里去
count: 数量，表示读多少个字节
返回值:
- 成功返回实际读到的字节数(>0 && <= count)
- 出错返回-1, 同时errno被设置
- 返回值为0,表示读到文件末尾啦!!
（2）write

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

含义：把buf指向的那段内存空间中前面count个字节的数据，写到fd指定的文件中去。
参数：
- fd: 文件描述符，表示要写到哪个文件中去
- buf: 指向一段内存空间，指向要写的数据的首地址
- count:要写多少个字节
返回值　：
- 成功返回实际写入文件的字节数
- 返回0,表示什么也没写
- 失败返回-1,同时errno被设置。
[练习]：利用系统io来实现两个文件之间的拷贝，文件名由命令行参数指定filecopy.c

2.3 文件的定位 lseek

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>             
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

含义：给fd指定的文件设置位置指针，也就是光标或偏移量。
参数：
- fd: 文件描述符，要定位的文件;
- offset: 偏移量，具体含义需要结合第三个参数
- whence: 定位方式，有如下三种:
  - SEEK_SET: 基于文件开头定位
    新光标位置=文件开头+offset(>=0)
  - SEEK_CUR:基于当前光标位置定位
    新光标位置=当前光标位置+offset(可正可负)
  - SEEK_END:基于文件末尾定位
    新光标位置=文件末尾+offset(可正可负)
返回值:
- 成功返回新光标位置相对于文件开头的偏移量(以字节为单位)
- 失败返回-1, 同时errno被设置
- 例子:
- 可以利用lseek来求一个文件的大小
- long size = lseek(fd, 0, SEEK_END);

2.4 文件映射/解映射

（1）文件映射mmap
- 什么是映射：read，write时候其实是把磁盘的内容复制了一份内存，能不能不复制呢？特别是文件比较大时？
- 文件映射到进程的内存空间后，就好像进程与文件之间建立了连接信号（可以想象成指针），进程在自己空间操作这个映射，会及时反映到文件中
- 假设同一个文件被多个进程映射了，那某一个进程操作了这个映射，其他进程也会实时获得更新，方便进程之间共享
- 适用场景：更新、读写一块固定大小的文件，文件大小不能变化
- 多进程共享
- 设备文件的映射：例如屏幕文件映射到进程空间中个，我们对这块空间赋值（颜色值），到时屏幕就可以看到对应颜色。

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

含义:实现把一个文件的内容映射到一个进程的地址空间中去。
参数：
- addr: 指针，映射地址，表示把这个文件的内容映射到进程的哪个地址上去。有人说，我怎么知道是哪个地址呢？
- 对，一般人不知道。所以这个参数一般为NULL,表示让操作系统自行分配一个地址。
- length: 要映射的文件内容的长度。
- 向上取PAGE_SIZE(4096)的整数倍。在内核中，内存是以页PAGE为单位的。
- prot:映射的内在区域的权限(应与打开文件时的权限一致，因为操作此区域内存实际上就是操作文件的内容)
  - PROT_EXEC: 可执行
  - PROT_READ: 可读的
  - PROT_WRITE:可写的
  - PROT_NONE:没有访问权限
- flags: 映射标志。决定对映射部分的操作是否对其他进程可见。
- MAP_SHARED: 共享映射，对其他进程可见，内存操作直接应用到文件中去。
- SHARED　在映射时，直接操作的文件！！！
- MAP_PRIVATE: 私有映射，对其他进程不可见，内存操作不应用到文件中去。
- PRIVATE 在映射时，会单独给这个文件这个进程开辟一个私有的空间。
- fd: 文件描述符，表示映射哪个文件.
- offset:偏移量，表示要从文件的哪个位置开始映射。
- offset必须为PAGE_SIZE(4k)整数倍。内核不仅是是以页为单位，而且内存地址必须是页对齐(必须是4k的整数倍)
- 返回值:
  - 成功返回映射后那段内存空间的首地址
  - 失败返回MAP_FAILED,同时errno被设置。
注意！！！：文件原来多大，映射后，向映射空间写数据，写再多也不能超过其原来大小。

（2）文件解映射munmap

int munmap(void *addr, size_t length);

参数：
- addr:要解映射的地址，mmap的返回的地址
- length:要解映射的内存空间的长度。
返回值：
- 0：正确， -1：错误，同时设置errno。
注意：进程退出会自动munmap, 但是关闭文件，不会自动munmap
[练习1]：
（1）体验什么是映射：
将有内容的文件，映射到进程空间，通过映射地址修改内容，再通过vi 或 cat来查看文件，看内容是否实时更新了。 mmap1.c
两个文件共享一个文件，看是否实时更新。mmap2.c+mmap1.c

[练习2]：
- １.　写一个程序，解析一个bmp的文件，打印出给定的bmp文件的信息：
- 是不是一个bmp的文件　？
- 如果是一个bmp的文件:
- 这个bmp文件的分辨率是多少？宽 x 高　
- 这个bmp文件的大小是多少字节？
- 这个bmp文件每个像素点占多少个字节？
- bmp文件名通过命令行参数指定
- “&ff”是数据存储时把短数据变成长数据的常用做法。
lseek， read

2、用两个程序通过mmap实现聊天 homework2_1.c homework2_2.c

1、系统IO：Linux提供给应用程序操作文件（普通文件、设备文件）的接口

2. linux系统IO的API函数

2.1 打开、关闭文件

2.2 读、写文件

2.3 文件的定位 lseek

2.4 文件映射/解映射

（2）文件解映射munmap

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