linux 文件I/O教程(1)

一，文件描述符
對內(nèi)核而言，所以打開的文件都通過文件描述符引用。每個(gè)進(jìn)程都有一些與之關(guān)聯(lián)的文件描述符。文件描述符是一個(gè)非負(fù)整數(shù)。當(dāng)打開一個(gè)現(xiàn)有文件或創(chuàng)建一個(gè)新文件時(shí)，內(nèi)核向進(jìn)程返回一個(gè)文件描述符。當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)文件時(shí)，使用open或creat返回的文件描述符標(biāo)識該文件，將其作為參數(shù)傳送給read和write。

一般有三個(gè)以及打開的文件描述符，他們是：

每行后面的符號常量是依從POSIX而定的。
open函數(shù)

pathname是要打開或創(chuàng)建文件的名字。

flag用來定義打開文件所采取的的動作，必須調(diào)用以下模式之一
O_RDONLY, O_WRONLY,  O_RDWR分別代表只讀，只寫，讀寫方式打開。

open還可以包括以下可選模式的組合
O_APPEND：把寫入數(shù)據(jù)追加到文件的尾端
O_CREAT：若文件不存在，則創(chuàng)建它。使用此選項(xiàng)時(shí)，需要第三個(gè)參數(shù)mode，用其指定該新文件的訪問權(quán)限。
O_EXCL：如果同時(shí)指定了O_CREAT，而文件存在，則會出錯(cuò)。用此可以測試一個(gè)文件是否存在，如果存在，則創(chuàng)建文件，這使測試和創(chuàng)建兩者成為一個(gè)原子操作。
O_TRUNC： 如果此文件存在，而且為只寫或讀寫成功打開，則將其長度截為0。

open返回的文件描述符一定是最小的未用描述符數(shù)值。這一點(diǎn)被某些應(yīng)用程序用在標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出或標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出上。如，一個(gè)程序關(guān)閉了自己的標(biāo)準(zhǔn)輸出，然后再次調(diào)用open,文件描述符1就會被調(diào)用，并且標(biāo)準(zhǔn)輸出將被有效的重定向到另一個(gè)文件或設(shè)備。

POSIX規(guī)范還標(biāo)準(zhǔn)化了一個(gè)creat調(diào)用，此函數(shù)等效于
open（pathname，O_WONLY |O_CREAT | O_TRUNC, mode）;

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

close調(diào)用終止一個(gè)文件描述符fd與對應(yīng)文件之間的關(guān)聯(lián)。文件描述符被釋放后并能重新使用。close調(diào)用成功返回0，出錯(cuò)返回-1.

關(guān)閉一個(gè)文件時(shí)會釋放該進(jìn)程加在文件上的所有記錄鎖。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程終止時(shí)，內(nèi)核自動關(guān)閉它所有打開的文件。

lseek函數(shù)
每個(gè)打開的文件都有一個(gè)與其相關(guān)聯(lián)的”當(dāng)前文件偏移量”。按系統(tǒng)默認(rèn)情況，當(dāng)打開一個(gè)文件時(shí)，除非指定O_APPEND選項(xiàng)，否則該偏移量被設(shè)置為0。lseek可以為一個(gè)打開的文件設(shè)置偏移量。

offset用來指定位置，whence參數(shù)定義該偏移值的用法。whence可取以下值：

成功調(diào)用返回從文件頭到文件指針被設(shè)置處的字節(jié)偏移值，失敗返回-1。參數(shù)offset定義在<sys/types.h>中。

當(dāng)偏移量大于文件長度時(shí)，出現(xiàn)空洞，空洞不占用存儲區(qū)。

read函數(shù)

將與文件描述符fd關(guān)聯(lián)的文件中讀入count個(gè)字符放到buf中。返回讀入的字節(jié)數(shù)，它可能小于請求的字節(jié)數(shù)。如果read調(diào)用返回0，就表示未讀入任何數(shù)據(jù)，已到達(dá)了文件尾。返回-1，就表示出錯(cuò)。

write函數(shù)

把緩沖區(qū)buf的前count個(gè)字節(jié)寫入與文件描述符fd相關(guān)聯(lián)的文件中。返回實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)，通常與count值相同；否則表示出錯(cuò)。出錯(cuò)的一個(gè)常見原因是：磁盤已寫滿，或者超出了一個(gè)給定進(jìn)程的文件長度限制。

實(shí)例：創(chuàng)建一個(gè)文件，寫入數(shù)據(jù)，移動當(dāng)前偏移量，在讀數(shù)據(jù)。

執(zhí)行與輸出結(jié)果：

linux 文件I/O教程(2)

下面介紹了linux中有關(guān)文件I/O的相關(guān)內(nèi)容，內(nèi)核使用三種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示打開的文件，他們之間的關(guān)系決定了在文件共享方面一個(gè)進(jìn)程對另一個(gè)進(jìn)程可能產(chǎn)生的影響。

一，文件共享
內(nèi)核使用三種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示打開的文件，他們之間的關(guān)系決定了在文件共享方面一個(gè)進(jìn)程對另一個(gè)進(jìn)程可能產(chǎn)生的影響。
1）  每個(gè)進(jìn)程在進(jìn)程表中都有一個(gè)記錄項(xiàng)，記錄項(xiàng)中包含一張打開文件描述表，可將其視為一個(gè)矢量，每個(gè)描述符占用一項(xiàng)。與每個(gè)文件描述符相關(guān)聯(lián)的是：
a)      文件描述符標(biāo)志
b)      指向一個(gè)文件表項(xiàng)的指針
2）  內(nèi)核為所有打開文件維持一張文件表。每個(gè)文件表項(xiàng)包含：
a)      文件狀態(tài)標(biāo)志（讀、寫、讀寫、添些、同步和阻塞等）
b)      當(dāng)前文件偏移量
c)      指向文件v節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)的指針
3）  每個(gè)打開文件(或設(shè)備)都有一個(gè)v節(jié)點(diǎn)(v-node)結(jié)構(gòu)。v節(jié)點(diǎn)包含了文件類型和對比文件進(jìn)行各種操作的函數(shù)的指針。對于大多數(shù)文件，v節(jié)點(diǎn)還包含了該文件的i節(jié)點(diǎn)。i節(jié)點(diǎn)包含文件所有者、文件長度、文件所在的設(shè)備、指向文件實(shí)際數(shù)據(jù)塊在磁盤上所在位置的指針等。

打開文件的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如果兩個(gè)進(jìn)程各自打開了同一個(gè)文件，則如圖2所示。假定第一個(gè)進(jìn)程在文件描述符3打開上該文件，而另一個(gè)進(jìn)程在文件描述符4上打開該文件。每個(gè)進(jìn)程都得得到一個(gè)文件表項(xiàng)，但對一個(gè)給定的文件只有一個(gè)v節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)。每個(gè)進(jìn)程都有自己的文件表項(xiàng)的一個(gè)理由是：使每個(gè)進(jìn)程都有自己對該問價(jià)的當(dāng)前偏移量。

現(xiàn)在對前一節(jié)文件I/O(1)的幾個(gè)操作進(jìn)一步說明：
1．  完成write之后，文件中當(dāng)前偏移量即所增加的字節(jié)數(shù)。如果當(dāng)前偏移量大于文件長度，則將i節(jié)點(diǎn)中當(dāng)前文件長度設(shè)為當(dāng)前文件偏移量。
2．  用O_APPEND打開一個(gè)文件，相應(yīng)標(biāo)志會被設(shè)置到文件狀態(tài)標(biāo)識中。每次寫時(shí)，當(dāng)前偏移量會被設(shè)置為i節(jié)點(diǎn)中的文件長度
3．  lseek定位到文件尾端時(shí)，則文件當(dāng)前偏移量會被設(shè)置為當(dāng)前文件長度。

可能有多個(gè)文件描述符指向同一文件表項(xiàng)。調(diào)用dup和fork時(shí)都能看到這一點(diǎn)。
多個(gè)進(jìn)程讀同一文件能正確工作。但多個(gè)進(jìn)程寫同一文件時(shí)，可能產(chǎn)生預(yù)期不到的后果。可以利用原子操縱避免這種情況。

原子操作
一般而言，原子操作指的是由多部組成的操作。如果該院自地執(zhí)行，要么執(zhí)行完所以步驟，要么一步也不執(zhí)行。
1.      添加至一個(gè)文件
考慮一個(gè)進(jìn)程，它要講數(shù)據(jù)添加到一個(gè)文件尾端。早期UNIX不支持open，所以可以如下實(shí)現(xiàn)：

對于單個(gè)進(jìn)程，這段程序能正常工作。但多個(gè)進(jìn)程就不一定。結(jié)社進(jìn)程A和B都對同一文件進(jìn)行添加操作。每個(gè)進(jìn)程都打開該文件，此時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系如圖2中所示。假定A調(diào)用lseek，將A的當(dāng)前偏移量設(shè)置為1500。進(jìn)程B執(zhí)行l(wèi)seek也將其當(dāng)前偏移量設(shè)為1500。然后B調(diào)用write，將當(dāng)前偏移量增至1600。然后內(nèi)核又進(jìn)行進(jìn)程切換使進(jìn)程A恢復(fù)運(yùn)行，當(dāng)A調(diào)用write時(shí)，從其當(dāng)前偏移量1500處將數(shù)據(jù)寫入，將替換B剛寫入到該文件中的數(shù)據(jù)。

問題出在邏輯操作“定位到文件尾端處，然后寫“使用了兩個(gè)分開的函數(shù)調(diào)用。解決辦法是使這兩個(gè)操作成為一個(gè)原子操作。O_APPEND標(biāo)識，使內(nèi)核每次對文件進(jìn)行寫之前，都將進(jìn)程當(dāng)前偏移量設(shè)置到該文件的尾端處。

2．pread和pwrite函數(shù)
原子性地定位搜索和執(zhí)行I/0。

dup和dup2函數(shù)

上面兩個(gè)函數(shù)都可用來復(fù)制一個(gè)現(xiàn)存的文件描述符。

由dup返回的新文件描述符一定是當(dāng)前可用文件描述符中的最小數(shù)值。用dup2則可以用newfd參數(shù)指定新描述符的數(shù)值。如果newfd已經(jīng)打開，則先將其關(guān)閉。如果newfd等于oldfd，則dup2返回newfd而不關(guān)閉它。

圖3.3顯示了這種情況。

假定我們的進(jìn)程執(zhí)行了：

newfd = dup(1);

當(dāng)此函數(shù)執(zhí)行時(shí)，假設(shè)下一個(gè)可用的描述符是3。因?yàn)檫@兩個(gè)描述符指向同一個(gè)文件表項(xiàng)，所以他們共享文件標(biāo)志以及同一文件偏移量。

sync、fsync和fdatasync

當(dāng)將數(shù)據(jù)寫入文件時(shí)，內(nèi)核通常將數(shù)據(jù)復(fù)制到一個(gè)緩沖區(qū)，直到緩沖區(qū)寫滿，再將緩沖區(qū)排路輸出隊(duì)列，然后等待其到達(dá)隊(duì)首，才進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。這種輸出防暑被稱為延遲寫。延遲寫減少了磁盤的讀寫次數(shù)，但卻降低了文件內(nèi)容的跟新速度。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，延遲寫可能造成文件跟新內(nèi)容的丟失。為了保證磁盤上實(shí)際文件系統(tǒng)與緩沖區(qū)高速緩存中內(nèi)容一致性，UNIX系統(tǒng)提供了sync、fsync和fdatasync 三個(gè)函數(shù)。

fcntl函數(shù)

可以改變已經(jīng)打開文件的性質(zhì)。

復(fù)制一個(gè)現(xiàn)有的描述符（cmd=F_DUPFD)
獲得或設(shè)置文件描述符(cmd=F_GETFD|F_SETFD)
獲得或設(shè)置文件狀態(tài)標(biāo)志(cmd=F_GETFL|F_SETFL)
獲得或設(shè)置異步I/O所有權(quán)(cmd=F_GETOWN|F_SETOWN)
獲得或設(shè)置記錄鎖(cmd=F_GETLK|F_SETLK、F_SETLKW)

可以用fcntl函數(shù)設(shè)置文件狀態(tài)，常用設(shè)置套接字描述符為非阻塞O_NONBLOCK

ioctl函數(shù)
#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int d, int request, ...);

提供了一個(gè)用于控制設(shè)備及其描述符行為和配置底層服務(wù)的接口。

/dev/fd
打開文件/dev/fd/n等效于復(fù)制描述符n。