系统级I/O

输入/输出(I/O)是在主存和外部设备之间拷贝数据的过程。
输入操作是从I/O设备拷贝数据到主存。
- I/O→主存
输出操作是从主存拷贝数据到I/O设备。
- 主存→I/O

Unix I/O

所有的I/O设备都被模型化为文件。
所有的输入和输出都被当作对相应文件的读和写来执行。
打开文件
- 应用程序通过要求内核打开相应的文件，来宣告它想要访问一个I/O设备。
- 内核返回一个小的非负整数，称为描述符。
- 内核记录有关这个打开文件的所有信息。
- 应用程序只需要记住操作符即可。
创建每个进程开始时三个打开的文件
- 标准输入（描述符为0）|STDIN_FILENO
- 标准输出（描述符为1）|STDOUT_FILENO
- 标准错误（描述符为2）|STDERR_FILENO
改变当前的文件位置
- 对于打开的文件，内核保存着该文件的位置k，初始值为0
- k为从文件开头起始的字节偏移量
- 应用程序通过执行seek操作，显式地设置文件的当前位置为k
读写文件
- 读操作：
  - 从文件拷贝n>0个字节到存储器
  - 从当前文件位置k开始
  - 将k增加到k+n
  - 给定一个大小为m字节的文件，当k≥m时（即当前文件位置已到文件尾），此时执行读操作会触发end-of-file(EOF)条件。
  - 在文件的结尾并未明确的EOF符号
- 写操作：
  - 从存储器拷贝n>0个字节到一个文件
  - 从当前文件位置k开始
  - 更新k
关闭文件
- 应用完成对文件的访问后，会通知内核关闭该文件。
- 内核释放文件打开时创建的数据结构，并恢复描述池。
- 无论一个进程因为何种原因终止，内核都会关闭所有打开的文件并释放它们的存储器资源。

打开和关闭文件

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

int open(char *filename,int flags,mode_t mode)

sys/types.h 基本系统数据类型，其中包括核心地址、系统时间、设备号、文件描述集、文件位置等类型。
sys/stat.h 用于获取一个文件的所有信息，包括文件对应的模式、设备号码、文件所有者、最后被访问的时间、最后被修改的时间等。ls -l命令就用到了该头文件中所包含的类型。
fcntl.h 文件信息控制类型(file control),定义了很多宏和open.fcntl函数原型。

open函数

char *filename 参数filename指向欲打开的文件路径字符串。
int flags 旗标
- O_RDONLY 以只读方式打开文件
  - define O_RDONLY 00
- O_WRONLY 以只写方式打开文件
  - define O_WRONLY 01
- O_RDWR 以可读写方式打开文件。
  - define O_RDWR 02
- 上述三种旗标是互斥的，也就是不可同时使用，但可与下列的旗标利用OR(|)运算符组合。
- O_CREAT 若欲打开的文件不存在则自动建立该文件。
  - define O_CREAT 00000100
- O_TRUNC 若文件存在并且以可写的方式打开时，此旗标会令文件长度清为0，而原来存于该文件的资料也会消失。
  - define O_TRUNC 00001000
- O_APPEND 当读写文件时会从文件尾开始移动，也就是所写入的数据会以附加的方式加入到文件后面。
  - define O_APPEND 00002000
- mode_t mode 文件权限标志
```
  1. S_IRUSR 所有者拥有读权限

  2. S_IWUSR 所有者拥有写权限

  3. S_IXUSR 所有者拥有执行权限

  4. S_IRGRP 群组拥有读权限

  5. S_IWGRP 群组拥有写权限

  6. S_IXGRP 群组拥有执行权限

  7. S_IROTH 其他用户拥有读权限

  8. S_IWOTH 其他用户拥有写权限

  9. S_IXOTH 其他用户拥有执行权限
```
- 文件权限标志也可以用加权数字表示，这组数字被成为umask变量，它的类型是mode_t,是一个无符号八进制数。
  - umask变量由3位数字组成，数字的每一位代表一类权限，用户所获得的权限是加权数值的总和。
  - 例如764表示所有者拥有读、写和执行权限，群组拥有读和写权限，其他用户拥有读权限。
  - 0表示没有任何权限。
  - 每个程序都有一个umask的值，并且默认为022。可以通过umask()函数调用设置。
    - umask()会将系统umask值设成参数mask&0777后的值，然后将先前的umask值返回。在使用open()建立新文件时，该参数 mode并非真正建立文件的权限，而是(mode& ~umask)的权限值。
    - 例如，在建立文件时指定文件权限为0666，通常umask值默认为 022，则该文件的真正权限则为0666&～022＝0644
- 书上例子解析：
```
  #define DEF_MODE S_IRUSER|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH //拥用者、群组、其他人都拥有读写权限，相当于666

  #define DEF_MASK S_IWGRP|S_IWOTH //用户组、其他人拥有写权限，相当于022

  umask(DEF_UMASK); //将当前的umask值设置成022

  fd = open("foo.txt",O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,DEF_MODE); //DEF_MODE此时的值应该为DEF_MODE &~DEF_UMASK，即666&~022=644，则文件的拥有者有读写权利，所有其他的用户只有读权利。
```
- 返回值若成功则为新文件描述符，若出错为-1。返回的描述符总是在进程中当前没有打开的最小描述符。
- 示例：fd = open("foo.txt",O_WRONLY|O_APPEND,0)
  - 表示打开一个已存在的文件，并在后面添加一些数据。

close函数

#include <unistd.h>

int close(int fd);

unistd.h 提供了close()函数。
返回值：成功返回0，出错返回-1并设置errno
参数fd是要关闭的文件描述符。
- 需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。
若省略fd，则将关闭Open语句打开的所有活动文件。

读和写文件

读文件

#include <unist.h>

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

fd 文件描述符
*buf 缓冲区指针，用于保存读出来的数据。
n 所需要读取的字节数
返回值类型为ssize_t 表示有符号的size_t。
- size_t(size type),表示一种整型类型，包含int、long等。
- 返回所读取的字节数；0（读到EOF）；-1（出错）。
- 以下几种情况会导致读取到的字节数小于 n ：
  - A. 读取普通文件时，读到文件末尾还不够 n 字节。例如：如果文件只有 30 字节，而我们想读取 100 字节，那么实际读到的只有 30 字节，read 函数返回 30 。此时再使用 read 函数作用于这个文件会导致 read 返回 0 。
  - B. 从终端设备（terminal device）读取时，一般情况下每次只能读取一行。
  - C. 从网络读取时，网络缓存可能导致读取的字节数小于 n字节。
  - D. 读取 pipe 或者 FIFO 时，pipe 或 FIFO 里的字节数可能小于 n 。
  - E. 从面向记录（record-oriented）的设备读取时，某些面向记录的设备（如磁带）每次最多只能返回一个记录。
  - F. 在读取了部分数据时被信号中断。

写文件

#include <unist.h>

sszize_t write(int fd,const void *buf,size_t n);

fd 文件描述符
const void *buf 数据来源buf，const所描述的对象具有不变性，不可更新。
n 从存储器位置buf拷贝至多n个字节到描述符fd的当前文件位置。
返回值一般等于n，否则就是出错。
- 常见出错的原因：
  - 磁盘空间满了
  - 超过文件大小限制

书上cpstdin.c代码测试

书上的源代码仅为理论上讲述的程序，说明了一次一个字节地从标准输入拷贝到标准输出的功能，但是并未有明显的表示。所以我将代码修改了，通过两个文件foo.txt与foo1.txt来体现该功能。

foo.txt文档中存放着123456的文本
foo1.txt为空文档。
代码功能将foo.txt中的文本一次一个地写入foo1.txt文档中。

代码如下：

  /* $begin cpstdin */

  #include "csapp.h"

  #include <sys/types.h>

  #include <sys/stat.h>

  #include <fcntl.h>

  int main(void)

  {

     char c = 1;

     int fd1,fd2;

     fd1 = open("foo.txt",O_RDWR);//打开foo.txt，并将文件描述符保存至fd1

     fd2 = open("foo1.txt",O_RDWR);//打开	foo1.txt，并将文件描述符保存至fd2

     while(read(fd1,&c, 1) != 0)//当未读到EOF,则循环进行

     write(fd2, &c, 1);//将一个字符写入foo1.txt中

    exit(0);

  }

  /* $end cpstdin */

运行结果如下：

用RIO包健壮地读写

RIO（Robust I/O，健壮地I/O）包：它会自动为你处理不足值。
- 不足值：read和write传送的字节比应用程序要求地要少。
RIO提供了两类不同的函数：
- 无缓冲的输入输出函数。没有应用级缓冲，它们对将二进制数据读写到网络和从网络读写二进制数据尤其有用。
- 带缓冲的输入函数。高效地从文件中读取文件行和二进制数据，这些文件的内容缓存在应用级缓存区内。

RIO的无缓冲的输入输出函数

通过调用rio_readn和rio_writen函数，应用程序可以在存储器和文件之间直接传送数据。
```
  #include "csapp.h"

  ssize_t rio_readn(int fd,void *usrbuf,size_t n);
```

Linux第八次学习笔记

void *usrbuf 存储器位置
size_t n 传送的字节数
返回值若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
功能从描述符fd的当前文件位置最多传送n个字节到存储器位置usrbuf。
```
  #include "csapp.h"

  ssize_t rio_writen(int fd,viod *usrbuf,size_t n);
```

Linux第八次学习笔记

void *usrbuf 存储器位置
size_t n 传送的字节数
返回值若成功则为传送的字节数，若出错则为-1
功能从位置usrbuf传送n个字节道描述符fd。

RIO带缓冲地输入函数

一个文本行就是一个由换行符结尾的ASCII码字符序列。

在Unix系统中，换行符的数值未0x0a。

  #include "csapp.h"

  void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd);

每打开一个描述符都会调用一次rio_readinitb，它将描述符fd和地址rp处的一个类型为rio_t的读缓冲区练习起来。

Linux第八次学习笔记

ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);

rio_t 设置一个地址
void *usrbuf 缓存区地址
size_t maxlen 读取的最大长度
返回值若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
功能从一个内部读缓冲区拷贝一个文本行，当缓冲区变空时，会自动地调用read重新填满缓冲区。
rio_readlineb函数最多读maxlen-1个字节，余下的一个字符留给结尾的空字符。
超过maxlen-1字节的文本行被截断，并用一个空字符结束。
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t n);
rio_t 设置一个地址
void *usrbuf 缓存区地址
size_t maxlen 读取的最大长度
返回值若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
功能对于既包含文本行也包含二进制数据的文本，进行拷贝文本行操作。
从文件rp最多读n个字节道存储器位置usrbuf。

对同一描述符，对rio_readlineb和rio_readnb的调用可以任意交叉进行，但不应该和无缓冲的rio_readn函数交叉使用。

读取文件元数据

应用程序能够通过调用stat和fstat函数，检索到关于文件的信息（也称为文件的元数据）。
```
  #include <unistd.h>

  #include <sys/stat.h>

  int stat(const char *filename,struct stat *buf);
```
filename 文件名

struct stat *buf 结构体stat中各个成员，如下：

  struct stat {

  mode_t     st_mode;       //文件对应的模式，文件，目录等

  ino_t      st_ino;       //inode节点号

  dev_t      st_dev;        //设备号码

  dev_t      st_rdev;       //特殊设备号码

  nlink_t    st_nlink;      //文件的连接数

  uid_t      st_uid;        //文件所有者

  gid_t      st_gid;        //文件所有者对应的组

  off_t      st_size;       //普通文件，对应的文件字节数

  time_t     st_atime;      //文件最后被访问的时间

  time_t     st_mtime;      //文件内容最后被修改的时间

  time_t     st_ctime;      //文件状态改变时间

  blksize_t st_blksize;    //文件内容对应的块大小

  blkcnt_t   st_blocks;     //伟建内容对应的块数量

};

  int fstat(int fd,struct stat *buf);

int fd 文件描述符
不同的文件类型
- 普通文件
- 目录文件
- 网络套接字
宏指令根据st_mode成员来确定文件的类型
- S_ISREG() —— 这是一个普通文件吗？
- S_ISDIR() —— 这是一个目录文件吗？
- S_ISSOCK() —— 这是一个网络套接字吗？

Linux第八次学习笔记

共享文件

内核用三个数据结构来表示打开的文件：
- 描述符表
  - 每个进程都有它独立的描述符表
- 文件表
  - 打开文件的集合是由一张文件表来表示的，所有的进程共享这张表。
  - 每个文件表的表项组成：
    - 当前的文件位置
    - 引用计数
    - 指向v-node表中对应表项的指针
- v-node表
  - 所有的进程共享这张v-node表。

I/O重定向

利用dup2函数进行I/O重定向工作

  	#include <unistd.h>

  	int dup2(int oldfd,int newfd);

dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到描述符表表项newfd，覆盖描述符表表项newfd以前的内容。
如果newfd已经打开了，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd。

标准I/O

ANSI C定义了一组高级输入输出函数，成为标准I/O库。
- 提供了打开和关闭文件的函数(fopen/fclose)
- 读和写字节的函数(fread/fwrite)
- 读和写字符串的函数(fgets/fputs)
- 复杂的格式化的I/O函数(scanf/printf)
标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流。
每个ANSI C程序开始时都有三个打开的流stdin、stdout和stderr。
类型为FILE的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象。

参考资料

1.《Computer.Systems.A.Programmer's.Perspective.2nd.CN》教材

2.《打开文件、新建文件和关闭文件操作》http://book.51cto.com/art/200912/169537.htm

3.《linux下的文件操作函数》http://jingyan.baidu.com/article/6dad5075c33056a123e36ecf.html

4.《linux下的umask()函数》http://www.360doc.com/content/12/0605/16/9305922_216186419.shtml

秒客网

Linux第八次学习笔记

系统级I/O

Unix I/O

打开和关闭文件

open函数

define O_RDONLY 00

define O_WRONLY 01

define O_RDWR 02

define O_CREAT 00000100

define O_TRUNC 00001000

define O_APPEND 00002000

close函数

读和写文件

读文件

写文件

书上cpstdin.c代码测试

用RIO包健壮地读写

RIO的无缓冲的输入输出函数

RIO带缓冲地输入函数

对同一描述符，对rio_readlineb和rio_readnb的调用可以任意交叉进行，但不应该和无缓冲的rio_readn函数交叉使用。

读取文件元数据

共享文件

I/O重定向

标准I/O

参考资料

相关文章