Unix/Linux编程-系统调用I/O

系统调用I/O

1.1 文件描述符

对于内核而言，所有打开的文件都通过文件描述符引用。文件描述符是一个非负整数，当打开一个现有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。在符合POSIX.1的应用程序中，幻数0,1,2虽然已经被标准化，但应当把它们替换成符号常量STDIN_FILENO，STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO以提高可读性。这些常量都在头文件<unistd.h>中。

1.2 打开或创建一个文件

#include <fcntl.h> int open(const char *path, int oflag,…/* mode_t mode */); int openat(int fd, const char *path, int oflag,…/* mode_t mode */); 返回值：成功返回文件描述符，失败返回-1

仅当创建新文件时才使用最后一个参数。
path参数是要打开或创建文件的路径名。
oflag参数用来说明函数的多个选项，用下列一个或多个常量进行或运算构成oflag参数。这些常量在<fcntl.h>中定义：

oflag	说明	备注
O_RDONLY	只读打开
O_WRONLY	只写打开
O_RDWR	读写打开
O_EXEC	只执行打开
O_SEARCH	只搜索打开（用于目录）	以上有且仅有一个存在，O_SEARCH常量的母的在于在目录了打开时验证它的搜索权限。
O_APPEND	将文件偏移量设置到文件末尾处
O_CLOEXEC	把FD_CLOEXEC常量设置为文件描述符标志
O_CREAT	文件不存在则创建它。使用这个选项需要设置最后的mode参数
O_DIRECTORY	Path不是目录则出错
O_EXCL	如果同时指定了O_CREAT，而文件已经存在则出错，不存在则创建它。
O_NOCTTY	如果path引用的是终端设备，则不将该设备分配作为此进程的控制终端。
O_NOFOLLOW	如果path引用的是一个符号链接则出错
O_NONBLOCK	如果path引用的是一个FIFO、一块特殊文件或一个字符特殊文件，则此选项为文本的本次打开操作和后续I/O操作设置非阻塞方式。
O_SYNC	使每次write等待物理I/O操作完成，包括由该write操作引起的文件属性更新所需的I/O
O_DSYNC	使每次write要等待物理I/O操作完成，但是如果该操作并不影响读取刚写入的数据，则不需要等待文件属性被更新。	当文件用O_DSYN标志打开，在重写其现有的部分内容时，文件时间属性不会同步更新。于此相反，如果文件使用O_SYNC标志打开，那么对该文件的每一次write都将在write返回前更新文件时间，这与是否改写现有字节或追加文件无关。
O_TRUNC	如果文件存在，而且为只写或读写成功打开，则将其长度截断为0
O_TTY_INIT	如果打开一个还未打开的终端设备，设置非标准termios参数值。

1.2.1 open与openat的区别

fd参数把open和openat函数区分开，有2种可能性。
(1) path参数指定的是绝对路径名，在这种情况下，fd参数被忽略，两个函数没有区别。
(2) path参数指定的是相对路径，fd参数指出了相对路径名在文件系统中的开始地址，fd参数是通过打开相对路径名所在的路径来获取。
(3) path参数之指定了相对路径名，fd参数具有特殊值AT_FDCWD。这种情况下，路径名在当前目录中获取，openat函数在操作上与open函数类似。

1.3 改变文件偏移量

每个打开文件都对应有文件表项，纪录了当前文件偏移量，通常是非负整数，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偏移量处开始，并使偏移量增加所读写的字节数。

#include <unistd.h> off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence); 返回值：成功返回新的文件偏移量，错误返回-1

whence参数:

选项	说明
SEEK_SET	文件偏移量设置为文件开始出offset个字节
SEEK_CUR	文件偏移量设置为文件当前值加offset个字节，offset可正可负
SEEK_END	文件偏移量设置为文件长度加offset个字节，offset可正可负

文件偏移量可以大于文件的当前长度，对该文件的下一次写将加长该文件，并在文件中构成一个空洞。位于文件中但没有写过的字节都被读为0。
文件中的空洞并不要求在磁盘上占用存储区，具体处理方式与文件系统的实现有关，当定位到超出文件尾端之后写时，对于新写的数据需要分配磁盘块，但对于原文件尾端和新开始写位置之前的部分则不需要分配磁盘块。

1.4 读取文件数据

#include <unistd.h> ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbyts); 返回值：成功则返回已写的字节数，出错返回-1

有多种情况可使实际读到的字节数少于要求读的字节数：
(1) 读普通文件，在读到要求字节数之前已到达文件尾端。
(2) 读终端设备时，通常一次最多读一行。
(3) 读网络时，网络中的缓冲机制可能造成返回值小于要求读的字节数。
(4) 读管道或FIFO时，若管道包含的字节少于所需的数量，那么read将只返回可用的字节数。
(5) 当信号中断，而已经读了部分数据量。

1.5 向文件写数据

#include <unistd.h> ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbyts); 返回值：成功则返回已写的字节数，出错返回-1

返回值通常与参数nbytes的值相同，否则表示出错。磁盘已满或超过一个给定进程的文件长度限制都可能导致出错。在一次成功写之后，文件偏移量增加实际写的字节数。

1.6 文件共享

内核使用了3种数据结构来表示打开文件。分别是打开文件描述符表、文件表和v节点（i节点）。
(1) 每个进程在进程表中都有一个记录项，记录项中包含一张打开文件描述符表，每个描述符占用一项，与每个文件描述符相关联的是：
  a. 文件描述符标志（close_on_exec）
  b. 指向一个文件表项的指针
(2) 内核为所有打开文件维持一张文件表，每个文件表项包含：
  a. 文件状态标志（读、写、添写、同步和非阻塞等）
  b. 当前文件偏移量
  c. 指向该文件v节点的指针。
(3) 每个打开文件（或设备）都有一个v节点结构，v节点包含了文件类型和对此文件进行各种操作函数的指针。对于大多数文件，v节点还包含了该文件的i节点。Linux中没有v节点，而是使用了通用的i节点结构。

下图展示了一个进程对应3张表之间的关系：

如果两个独立进程各自打开 了同一个文件，关系入下所示：

1.7 原子操作

原子操作指的是由多不组成的一个操作，如果该操作原子执行，则要么执行完所有步骤，要么都不执行。Single UNIX Specification包括了XSi扩展，该扩展允许原子性地定位并执行I/O。
pread和pwrite就是这种扩展。

1.7.1 pread和pwrite函数

#include <unistd.h> ssize_t pread(int fd, void *buf, size_t nbytes, off_t offset); 返回值：读到的字节数，若到文件尾则返回0，出错返回-1 ssize_t pwite(int fd, const void *buf, size_t nbytes, off_t offset); 返回值：返回已写的字节数，错误返回-1

与read和write不同的是，无法终端其定位和读（写）操作。

1.7.2 创建一个文件

对于open函数，同时指定O_CREAT和O_EXCL选项时，而该文件已经存在则open失败，否则会原子操作地创建并打开文件。

1.8 复制现有的文件描述符

#include <unistd.h> int dup(int fd); int dup2(int fd, int fd2); 返回值：成功则返回新的文件描述符；错误返回-1。

dup函数返回的新文件描述符一定是当前可用文件描述符中最小的整数。dup2函数使用fd2参数指定新描述符的值。如果fd2已经打开，则会先将其关闭（不报错）。如果fd2等于fd，返回fd2，而不关闭它。这些函数返回的新文件描述符与参数fd共享同一个文件表项：

复制现有的文件描述符的另一种方式fcntl(fd, F_DUPFD, fd2)。

1.9 函数fcntl

fcntl函数可以改变已经打开文件的属性。

#include <fcntl.h> int fcntl(int fd, int cmd,… /* int arg */); 返回值：成功，则依赖于cmd，出错则返回-1

fcntl函数有一下5个作用：
(1) 复制一个已有的文件描述符 （cmd=F_DUPFD 或 F_DUPFD_CLOEXEC ）。
(2) 获取/设置文件描述符标志（cmd=F_GETFD 或 F_SETFD）。
(3) 获取/设置文件状态标志（cmd=F_GETFL 或 F_SETFL）。
(4) 获取/设置异步I/O所有权（cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN）。
(5) 获取/设置记录锁（cmd=F_GETFK、F_SETLK或F_SETLKW）。

Cmd	说明
F_DUPFD	复制文件描述符fd。新文件描述符作为函数值返回。它是尚未打开的各描述符中大于或等于第3个参数值中的最小值。
F_DUPFD_CLOEXEC	复制文件描述符，设置与新描述符关联的FD_CLOEXEC文件描述符标志的值，返回新文件描述符。
F_GETFD	对应于fd的 文件描述符标志作为函数的返回值，当前只有FD_CLOEXEC这个标志。
F_SETFD	对应fd设置文件描述符的标志。，新的值按第三个参数设置。
F_GETFL	对应fd的文件状态标志作为函数值返回。遗憾的是O_RDONLY,O_WRONLY,O_RDWR,O_EXEC,O_SEARCH这五个标志并不是各占一位，因此首先使用屏蔽字O_ACCMODE取得访问方式位，然后将结果与5个值做相等比较，其他的标志与函数返回值做与运算。
F_SETFL	将文件状态标志设置为第三个参数的值，可以更改的标志是：O_APPEND,O_NONBLOCK,O_SYNC,O_DSYNC,O_RSYNC,O_FSYNC和O_ASYNC。
F_GETOWN	获取当前接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID或进程组ID。
F_SETOWN	设置接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID或进程组ID，正的arg表示一个进程ID，负的 表示等于绝对值的一个进程组ID。

1.10 sync、fsync和fdatasync函数

内核中设有缓冲区高速缓存或页高速缓存，大多数磁盘I/O都通过缓冲区进行。当我们向文件写入数据时，内核通常先将数据复制到缓冲区，然后排入队列，晚些再写入磁盘。这种方式称为延迟写。
通常，当内核需要重用缓冲区来存放其他磁盘块数据时，会把所有延迟写数据写入磁盘。为了保证磁盘上实际文件系统与缓冲区中内容的一致性，Unix提供了这三个函数。

#include <unistd.h> int fsync(int fd); int fdatasync(int fd); 返回值：成功返回0，出错返回-1 void sync(void);

sync只是将所有修改过的块缓冲区排入写队列，然后就返回，并不等待实际写磁盘操作结束。通常称为update的系统守护进程周期性的调用sync函数定期冲洗内核的块缓冲区。
fsync函数只对由文件描述符fd指定的一个文件起作用，并且等待写磁盘结束才返回。
fdatasync函数类似于fsync，但他只影响文件的数据部分，而除了数据外，fsync还会同步更新文件的属性。