文件I/O

文件描述符
open函数
creat函数
close函数
lseek函数
read函数
write函数
I/O的效率
文件共享
- 内核数据结构
- 文件共享
原子操作
dup函数
- /dev/fd
fnctl函数
ioctl函数
- 请求类型

大多数UNIX文件I/O只需用到5个函数： open 、 read 、 write 、 lseek 以及 close 。这些函数经常被称之为 不带缓存的I/O ，指的是每个read和write都调用内核中的一个系统调用。然后说明不同缓存器长度对read和write函数的影响

接着将通过传送给open函数的参数来讨论原子操作这个概念，以及在多个进程间如何共享文件，并涉及内核的有关数据结构

最后将说明 dup 、 fcntl 和 ioctl 函数

文件描述符

对于内核而言， 所有打开文件都由文件描述符引用 。文件描述符是一个非负整数。当打开一个现存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。当读、写一个文件时，用 open 或 creat 返回的文件描述符标识该文件，将其作为参数传送给 read 或 write

文件描述符的范围是 0 ~ OPEN_MAX

shell

文件描述符0：进程的标准输入相结合
文件描述符1：标准输出相结合
文件描述符2：标准出错输出相结合

常量定义

在 <unistd.h> 中定义以下常量来标识标准文件描述符

STDIN_FILENO : 0
STDOUT_FILENO : 1
STDERR_FILENO : 2

设备文件

标准输入、标准输出和标准出错对应的设备文件注册在目录 /dev 中，文件名分别为 stdin , stdout , stderr 。它们实际上分别是指向 /proc/self/fd/0 , /proc/self/fd/1 , /proc/self/fd/2 的软链接

$ cd /dev/
/dev $ ls -l std*

lrwxrwxrwx 1 root root 15 Jan 20  2017 stderr -> /proc/self/fd/2
lrwxrwxrwx 1 root root 15 Jan 20  2017 stdin -> /proc/self/fd/0
lrwxrwxrwx 1 root root 15 Jan 20  2017 stdout -> /proc/self/fd/1

虚拟目录 /proc/self/fd 中记录了当前进程所打开的文件描述符。在xfce4-terminal中可以看到，实际文件描述符指向 dev/pts 虚拟字符设备

/proc/self/fd $ ls -l

total 0
lrwx------ 1 klose klose 64 Jan 19 21:54 0 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 klose klose 64 Jan 19 21:54 1 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 klose klose 64 Jan 19 21:54 2 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 klose klose 64 Jan 19 22:20 255 -> /dev/pts/0

对于 守护进程 ，　0、1、2都是链接到 /dev/null 的，这说明 守护进程不会跟任何的接口进行交互

open函数

以 oflag 指定的方式打开字符串 filename 指定的文件

#include <fcntl.h>

/**  　
 * 打开文件
 * 
 * filename: 文件名
 * oflag: 打开选项，例如O_RDWR | O_APPEND
 * mode_t: 可选择参数，当oflag包含O_CREAT的时候，表示创建文件的权限
 * 
 * 成功：返回对应的文件描述符，失败：返回-1，并设置errorno指代失败原因
 * 
 */
int open(const char *filename, int oflag, .../* mode_t mode */);

oflag参数

oflag参数必须指定且只指定下面中的一个

O_RDONLY ：只读打开
O_WRONLY ：只写打开
O_RDWR ：读、写打开

可选参数：

O_APPEND：每次写时都加到 文件的尾端
O_CREAT：若此文件 不存在则创建 它
- 使用此选择项时，需同时说明第三个参数mode用其说明该新文件的权限
O_EXCL：如果同时指定了O_CREAT，而文件已经存在则出错。用来 测试一个文件是否存在 ，如果不存在则创建此文件成为一个原子操作
O_TRUNC：如果此文件存在，而且为只读或只写成功打开，否则将其 长度截短为0
O_NOCTTY：如果pathname指的是终端设备，则不将此设备分配作为此进程的控制终端
O_NONBLOCK：如果pathname指的是一个 FIFO 、一个块特殊文件或一个字符特殊文件，则此选择项为此文件的本次打开操作和后续的I/O操作设置 非阻塞 方式
O_SYNC：使每次write都等到 物理I/O操作 完成

这些常数定义在 <fcntl.h> 头文件中

文件名截短　

若_POSIX_NO_TRUNC被设置：在整个路径名超过PATH_MAX，或路径名中的任一文件名超过NAME_MAX时，返回出错ENAMETOOLONG
若_POSIX_NO_TRUNC没设置：文件名会被截断到最大字符数

返回的文件描述符

由open返回的文件描述符一定是 最小的未用描述符数字

这一点被很多应用程序用来在标准输入、标准输出或标准出错输出上打开一个新的文件

例如，一个应用程序可以先关闭标准输出(通常是文件描述符1)，然后打开另一个文件，该文件一定会在文件描述符1上打开

creat函数

创建一个新的文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

/**
 * 以只写形式打开一个新的文件
 *
 * filename：文件名
 * mode：文件权限
 * 
 *  成功：返回打开的文件描述符，失败：返回 -1
 */
int creat(const char *filename, mode_t mode);

以 只写方式 创建并打开一个新文件，如果文件已存在，则文件被 截短为0 。事实上creat函数等价于下面的open调用

open("filename", O_WRONLY | O_TRUNC | O_CREAT,mode);

creat的一个不足之处是以只写方式打开所创建的文件

如果要创建一个临时文件，并要先写该文件，然后又读该文件

则必须先调用creat，close，然后再调用open

最新的open可以这样做

open("filename", O_RDWR | O_TRUNC | O_CREAT,mode);

close函数

关闭一个打开文件，如果成功返回 0，如果失败返回 -1

#include <unistd.h>
/**
 * 关闭文件
 *
 * filedes：文件描述符
 *
 * 成功：返回 0，失败：返回 -1
 *
 */
int close(int filedes);

关闭文件的时候如果进程在此文件上加有记录锁，则将 释放所有记录锁

关闭进程会关闭所有打开的文件描述符，所以close函数往往不会被显示调用

lseek函数

设置文件指针的位置

#include <unistd.h>
/**
 * 设置文件指针的位置
 *
 * filedes：文件描述符
 * offset：文件位置偏移量，单位是字节数
 * whence：从哪里开始计算偏移量
 *
 * 成功：返回相对于文件开始处的偏移量（字节），失败：返回-1，并设置errno
 *
 */
off_t lseek(int filedes, off_t offset, int whence);

off_t

off_t通常定义为一个字的长度：32位机器是long类型，4个字节(byte)长度

参数

对参数offset的解释与参数whence的值有关:

若whence是 SEEK_SET ：将该文件的位移量设置为 距文件开始处offset个字节 ，offset为非负
若whence是 SEEK_CUR ：将该文件的位移量设置为其 当前值加offset ，offset可为正或负
若whence是 SEEK_END ：则将该文件的位移量设置为 文件长度加offset ，offset可为正或负

返回值

成功：返回 相对于文件开始处的偏移量 (可能是负数)
失败：返回 -1，并设置errno

因为lseek可以返回负数，所以判断lseek是否执行成功，最好用返回值是否为 -1 来进行判断

测试是否支持文件偏移

在文件是FIFO、管道或者套接字时，lseek将失败并设置errno为 ESPIPE (Illegal seek)

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h>

int main(void) 
{
        if(lseek(STDIN_FILENO, 0, SEEK_CUR) == -1) 
                printf("can not seek \n");
        else 
                printf("seek OK \n"); 

        exit(EXIT_SUCCESS);
}

文件空洞

文件位移量可以大于文件的当前长度，在这种情况下，对该文件的下一次写将延长该文件，并在文件中构成一个空洞，这一点是允许的。位于文件中但没有写过的字节都被读为0

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include "apue.h"


char buf1[] = "abcdefghij";
char buf2[] = "ABCDEFGHIJ";

int main(void) 
{
        int fd; 

        if((fd = creat("file.hole", FILE_MODE)) < 0) 
                err_sys("creat error");

        if(write(fd, buf1, 10) != 10) 
                err_sys("buf1 write error"); 
        /* offset now 10*/
        if(lseek(fd, 40, SEEK_SET) == -1)
                err_sys("seek error"); 
        /* offset now 40 */
        if(write(fd, buf2, 10) != 10) 
                err_sys("buf2 write error"); 
        /* offset now 50 */

        exit(0);
}

read函数

从打开文件中读取数据到缓存区中，如果成功读取，在返回读取的真实字节数

#include <unistd.h>

/**
 * 从filedes文件的当前位置读取nbytes字节到缓存区buf中
 *
 * filedes: 文件描述符
 * buf: 缓存区指针
 * nbytes: 读取的字节数目
 *
 * 返回值：正数表示读取的真实字节数
 *  　　　　0 表示读取到EOF
 *               -1 表示出错，并设置errno
 *
 */
ssize_t read(int filedes, void *buf, size_t nbytes);

有多种情况可使实际读到的字节数少于要求读字节数：

读普通文件时，在读到要求字节数之前已到达了 文件尾端
- 例如若在到达文件尾端之前还有30个字节，而要求读100个字节，则read返回30。下一次再调用read，它将返回0（文件尾端）
当从终端设备读时，通常一次最多 读一行
当从网络读时，网络中的缓冲机制可能造成返回值小于所要求读的字节数
某些面向记录的设备，例如磁带，一次最多返回一个记录

write函数

向打开的文件写数据，对于普通文件写操作从文件的当前位移量处开始。如果在打开该文件时指定了 O_APPEND 选择项，则在每次写操作之前，将文件位移量设置在文件的当前结尾处。在一次成功写之后，该 文件位移量增加实际写的字节数

#include <unistd.h>
/**
 * 按指定的字节数nbytes从buf处取数据，输出到文件filedes的当前位置处，如果已经到文件末尾，将增加文件长度并在最后添加EOF标志
 *
 * filedes：文件描述符
 * buf：字符缓存区指针
 * nbytes：写入数据字节数
 *
 *  返回值:　正数时表示真实写入的字节数,
 *                 出错返回 -1，同时errno被设置
 *
 */
ssize_t write(int filedes, const void *buf, size_t nbytes);

write出错的常见原因是:

磁盘已写满
超过了对一个给定进程的文件长度限制

I/O的效率

将标准输入复制到标准输出

#include <fcntl.h>
#include "apue.h"

#define BUFFSIZE 8192

int main(void)
{

        int n;
        char buf[BUFFSIZE];

        while( (n = read(STDIN_FILENO, buf, BUFFZIZE)) > 0)
                if(write(STDOUT_FILENO, buf, n) != n)
                        err_sys("write error");

        if(n < 0) 
                err_sys("read error");
        exit(0);

}

表3-1显示了用18种不同的缓存长度,读1468802字节文件所得到的结果，其标准输出则被重新定向到/dev/null上。此测试所用的文件系统是伯克利快速文件系统，其块长为8192字节

Table 1: 用不同缓存长度进行读操作的时间结果
BUFFSIZE	用户CPU(秒)	系统CPU(秒)	时钟时间(秒)	循环次数
1	23.8	397.9	423.4	1468802
2	12.3	202.0	215.2	734401
4	6.1	100.6	107.2	367201
8	3.0	50.7	54.0	183601
16	1.5	25.3	27.0	91801
32	0.7	12.8	13.7	45901
64	0.3	6.6	7.0	22951
128	0.2	3.3	3.6	11476
256	0.1	1.8	1.9	5738
512	0.0	1.0	1.1	2869
1024	0.0	0.6	0.6	1435
2048	0.0	0.4	0.4	718
4096	0.0	0.4	0.4	359
8192	0.0	0.3	0.3	180
16384	0.0	0.3	0.3	90
32768	0.0	0.3	0.3	45
65536	0.0	0.3	0.3	23
131072	0.0	0.3	0.3	12

系统CPU时间的最小值开始出现在BUFFSIZE为8192处（文件系统的逻辑块大小），继续增加缓存长度对此时间并无影响

文件共享

unix支持 多个进程共享文件 。在介绍dup函数之前，需要先说明这种共享，为此先说明内核用于所有I/O的数据结构

内核数据结构

图3-1显示了进程有两个不同的打开文件：

一个文件打开为标准输入：文件描述符 0
另一个打开为标准输出：文件描述符为 1

进程表

每个进程在进程表中都有一个进程记录项，每个记录项中有一张打开的文件描述符表，可将其视为一个矢量，每个描述符占用一项。与每个文件描述符相关联的是：

文件描述符标志
指向一个 文件表项的指针

文件表

内核为所有打开文件维持一张文件表。每个文件表项包含：

文件状态标志 ：读、写、增写、同步、非阻塞等
当前文件位移量
指向该文件 v节点表项的指针

v节点表

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 各种操作的函数的指针 信息。对于大多数文件，v节点还包含了该 文件的i节点 (索引节点)。

i节点中的信息是在打开文件时从盘上读入内存的，都是快速可供使用的

例如i节点包含了文件的所有者、文件长度、文件所在的设备、指向文件在盘上所使用的实际数据块的指针等等

文件共享

两个独立进程各自打开了同一文件，则如下图中所示的安排：

假定第一个进程使该文件在文件描述符 3 上打开，而另一个进程则使此文件在文件描述符 4 上打开

打开此文件的每个进程都得到一个文件表项，因为每个进程都有自己对这个文件的位移量

但是对一个给定的文件往往只有一个v节点表项

在完成每个write后，在文件表项中的当前文件位移量即增加所写的字节数
- 如果这使当前文件位移量超过了当前文件长度，则在 i节点表项中的当前文件长度被设置为当前文件位移量
如果用O_APPEND标志打开了一个文件，则相应标志也被设置到文件表项的文件状态标志中。每次对这种具有添写标志的文件执行写操作时，在文件表项中的当前文件位移量首先被设置为 i节点表项中的文件长度。这就使得每次写的数据都添加到文件的当前尾端处
lseek函数只修改文件表项中的当前文件位移量，没有进行任何I/O操作
- 若一个文件用lseek被定位到文件当前的尾端，则文件表项中的当前文件位移量被设置为 i节点表项中的当前文件长度
允许 多个文件描述符项 指向 同一文件表项

下面介绍dup函数时就能看到这一点

在fork后也发生同样的情况，此时父、子进程对于每一个打开的文件描述符共享同一个文件表项

文件描述符标志和文件状态标志在作用范围方面的区别：
- 文件描述符：只用于一个进程的一个描述符
- 文件状态标志：适用于指向该给定文件表项的任何进程中的所有描述符

原子操作

原子操作指的是由多步组成的操作

如果该操作原子地执行，则或者执行完所有步，或者一步也不执行

不可能只执行所有步的一个子集

dup函数

复制一个现存的文件描述符

#include <unistd.h>
/**
 * 复制当前进程的某个文件描述符
 *
 * filesdes: 被复制的文件描述符
 *
 * 成功：返回当前可用文件描述符中的最小值，失败：返回 -1　
 * 
 */
int dup(int filedes);

/**
 * 用filedes2参数指定新描述符的数值
 *
 * filedes: 被复制的文件描述符
 * filedse2: 复制的文件描述符
 *
 * 成功：返回 filedes2，如果filedes2已经打开，则先关闭。如果filedes=filedes2，直接返回，不需关闭
 * 失败：返回 -1
 *
 */
int dup2(int filedes, int filedes2);

这些函数返回的新文件描述符与参数filedes 共享同一个文件表项。下图显示了这种情况：

两个描述符指向同一文件表项，所以它们共享 同一文件状态标志(读、写、添写等) 以及 同一当前文件位移量

/dev/fd

比较新的系统都提供名为/dev/fd的目录，其目录项是名为0、1、2等的文件。 打开文件/dev/fd/n等效于复制描述符n

fd = open("/dev/fd/0", mode);

大多数系统忽略所指定的mode，而另外一些则要求mode是所涉及的文件(在这里则是标准输入)原先打开时所使用的mode的子集

上面的打开等效于:

fd = dup(0);

/dev/fd文件主要由shell使用，这允许程序以对待其他路径名一样的方式 使用路径名参数来处理标准输入和标准输出 ：

$ cat file1 /dev/fd/0 file3 | lpr

先读file1，再读标准输入，再读file3，最后打印全部

fnctl函数

改变已经打开文件的属性和权限标志

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

/**
 * 改变已经打开文件的性质
 *
 * filedes：文件描述符
 * cmd：功能
 * args：可选参数
 *
 * 成功：返回值依赖于cmd，失败：返回 -1
 *
 */
int fcntl(int filedes, int cmd, .../* int arg*/);

功能

根据cmd的不同值，fnctl可以进行不同的操作

复制一个现存的描述符

F_DUPFD ：复制文件描述符filedes

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三个参数值(取为整型值)中各值的最小值
新描述符与filedes共享同一文件表项。但是新描述符有它自己的文件描述符标志，其 FD_CLOEXEC文件描述符标志被清除

dup 函数等价于：

fcntl (filedes, F_DUPFD, 0);

dup2 函数等价于：

close(filedes 2);
fcntl(filedes, F_DUPFD, filedes2);

dup2是一个原子操作，而close及fcntl则包括两个函数调用

因为在close和fcntl之间插入执行信号捕获函数，它可能修改文件描述符

获得/设置文件描述符标记

F_GETFD ：获取文件描述符的标志 FD_CLOEXEC （用于指出执行exec(3)调用时是否关闭此文件）
F_SETFD ：对于filedes设置文件描述符标志。新标志值按第三个参数 (取为整型值)设置

获得/设置文件状态标志

F_GETFL ：获取文件描述符的状态标志
F_SETFL ：设置文件描述符的状态标志，将文件状态标志设置为第三个参数的值 (取为整型值)

Table 2: fcntl的文件状态标志
文件状态标志	说明
O_RDONLY	只读打开
O_WRONLY	只写打开
O_RDWR	读/写打开
O_APPEND	写时都添加至文件尾
O_NONBLOCK	非阻塞方式
O_SYNC	等待写完成
O_ASYNC	异步I/O

获得/设置异步I/O有权

F_GETOWN：获得当前接收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：指定一个进程ID
- 负的arg：等于arg绝对值的一个进程组ID

获得/设置记录锁

F_GETLK
F_SETLK
F_SETLKW

返回值

fcntl的返回值与命令有关。如果出错所有命令都返回-1。如果成功则返回某个其他值。下列三个命令有特定返回值:

F_DUPFD：返回新的文件描述符
F_GETFD/F_GETFL：返回相应标志
F_GETOWN：返回一个正的进程ID或负的进程组ID

实例

对于指定的描述符打印文件标志

#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include "apue.h"

int main(int argc, char *argv[]) 
{
        int val;

        if(argc != 2) 
                err_quit("usage: fileStatusFlag <descriptor#>");
        if( (val = fcntl(atoi(argv[1]), F_GETFL, 0)) < 0) 
                err_sys("fcntl error for %d", atoi(argv[1])); 

        int accmode = val & O_ACCMODE; 
        switch(accmode) {
        case O_RDONLY: 
                printf("read only");
                break; 
        case O_WRONLY: 
                printf("write only");
                break; 
        case O_RDWR: 
                printf("read write"); 
                break; 
        default: 
                err_dump("unknown access mode"); 
        }

        if(val & O_APPEND) 
                printf(", append");
        if(val & O_NONBLOCK) 
                printf(", nonblocking"); 
#if !defined(_POSIX_SOURCE) && defined(O_SYNC) 
        if(val & O_SYNC) 
                printf(", synchronous writes"); 
#endif
        //putchar("\n");
        printf("\n");
        exit(0);
}

对一个文件描述符打开一个或多个文件状态标志

在修改文件描述符标志或文件状态标志时必须谨慎：

取得现在的标志值
按照希望修改它

设置新标志值

#include <fcntl.h> 
#include "apue.h" 


void set_fl(int fd, int flags) 
{
        int val; 

        if( (val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0) 
                err_sys("fcntl F_GETFL error"); 

        val |= flags; 

        if(fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0) 
                err_sys("fcntl F_SETFL error");

}

不能只是执行F_SETFD或F_SETFL命令，这样会关闭以前设置的标志位

ioctl函数

ioctl函数是I/O操作的杂物箱，不能用本章中其他函数表示的I/O操作通常都能用ioctl表示

终端I/O是ioctl的最大使用者

#include <unistd.h>  /* SVR4 */
#include <sys/ioctl.h> /*4.3+BSD*/

/**
 * 执行各种硬件设备相关的IO操作
 *
 * fieldes: 文件描述符
 * request: 请求类型，总是头文件中的# define常量
 * 第三个可选参数一般只有一个指向变量或结构的指针，用来表示设备
 *
 * 出错：返回 -1，成功：返回其他值
 *
 */
int ioctl(int filedes, int request,...);

在此原型中，表示的只是ioctl函数本身所要求的头文件

通常还要求另外的设备专用头文件，例如终端ioctl都需要头文件<termios.h>

请求类型

Table 3: ioctl请求类型
类型	常数名	头文件	ioctl数
盘标号	DIOxxx	<disklabel.h>	10
文件I/O	FIOxxx	<ioctl.h>	7
磁带I/O	MTIOxxx	<mtio.h>	4
套接口I/O	SIOxxx	<ioctl.h>	25
终端I/O	TIOxxx	<ioctl.h>	35

磁带操作可以在磁带上写一个文件结束标志，反绕磁带，越过指定个数的文件或记录等等
存取和设置终端，伪终端，使用流系统，以及网络socket操作都将使用ioctl

Next：文件和目录

Previous：Unix标准和实现

Home：目录

文件I/O

Table of Contents

文件描述符

shell

常量定义

设备文件

open函数

oflag参数

文件名截短

返回的文件描述符

creat函数

close函数

lseek函数

off_t

参数

返回值

测试是否支持文件偏移

文件空洞

read函数

write函数

I/O的效率

文件共享

内核数据结构

进程表

文件表

v节点表

文件共享

原子操作

dup函数

/dev/fd

fnctl函数

功能

复制一个现存的描述符

获得/设置文件描述符标记

获得/设置文件状态标志

获得/设置异步I/O有权

获得/设置记录锁

返回值

实例

对于指定的描述符打印文件标志

对一个文件描述符打开一个或多个文件状态标志

ioctl函数

请求类型

文件名截短　