《unix高级环境编程》文件I/O

朱雀 2022-08-13 11:59 160阅读 0赞

## 前言： ##

文件I/O可分为两类：第一类是非缓冲式的文件操作；该类型一般由系统调用，主要函数有open，write，read，lseek，close；第二类是缓冲式文件操作；该类型由标准输入输出提供操作；本文记录的是第一类文件I/O。

## 操作函数： ##

**文件描述符**

内核通过文件描述符打开的文件，它是一个非负整数。通常，文件描述符0对应标准输入；文件描述符1对应标准输出；文件描述符2对应标准出错。依照POSIX，这些整数应替换为符号常量 STDIN\_FILENO 、 STDOUT\_FILENO 、 STDERR\_FILENO ，定义在 <unistd.h> 中。

/*
     * this file is the operation about file descriptor.
     * by chenhanzhun 2014.10.21
     */
    
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main(void)
    {
        printf("print the fileno:\n");
        printf("fileno of stdin =%d\n",fileno(stdin));
        printf("fileno of stdout =%d\n",fileno(stdout));
        printf("fileno of stderr =%d\n",fileno(stderr));
    
        return 0;
    }

**open函数**

/*
    *函数功能：打开或创建一个文件；
    *返回值：若打开成功返回文件描述符，若出错则返回-1；
    */
    /*
    *函数原型：
    */
    #include <fcntl.h>
    
    int open(const char* pathname, int oflag);
    int open(const char* pathname, int oflags, mode_t mode);
    
    /*
    *参数解释：
    *pathname是打开或创建的文件名称；
    *oflag只能是下面三个中的一个或与其它选项组成：
    *只能指定一个：O_RDONLY(只读),O_WRONLY(只写),O_RDWR(可读写)
    *其它选项：
    *O_APPEND	:写操作追加到文件尾
    *O_CREAT	:若打开的文件不存在，则创建，需要使用第三个参数mode
    *O_EXCL		:测试文件是否存在，不存在则创建此文件
    *O_TRUNC	:若文件存在，且只写或读写打开，则将文件长度截取为0
    *O_NOCTTY	:若文件名称pathname是终端设备，则该设备不能作为进程控制的终端
    *O_NONBLOCK	:如果pathname值的是一个FIFO，一个块特殊文件或一个字符特殊文件，则此选项为文件的本次打开操作和后续的I/O操作设置非阻塞模式。
    *mode是提供新建文件的权限，选项有O_CREAT时必须需要mode参数
    */

**creat函数**

creat函数
    /*
    *函数功能：创建一个新文件；
    *返回值：若创建成功则返回只写文件描述符，若出错则返回-1；
    */
    /*
    *函数原型：
    */
    #include <fcntl.h>
    
    int creat(const char* pathname, mode_t mode);
    /*等效于：open(pathname,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode);*/
    
    /*
    *参数解释：
    *pathname是打开或创建的文件名称；
    *mode是提供新建文件的权限，选项有O_CREAT时必须需要mode参数
    */

**close函数**

close函数
    /*
    *函数功能：关闭一个已经打开的文件；同时会释放所有进程加载该文件的记录锁；
    *返回值：若关闭成功返回0，若出错则返回-1；
    */
    /*
    *函数原型：
    */
    #include <unistd.h>
    
    int close(int filedes);
    
    /*
    *参数解释：
    *filedes已打开的文件描述符；
    */

**lseek函数**

/*
    *函数功能：当前文件偏移量；
    *返回值：若成功返回新的文件偏移量，若出错则返回-1；
    */
    /*
    *函数原型：
    */
    #include <unistd.h>
    
    off_t lseek(int filedes, off_t offset, int whence);
    
    /*
    *参数解释：
    *filedes是文件描述符；
    *offset表示偏移字节数；
    *whence参数有一下三种：
    *SEEK_SET	:表示偏移量设置为文件开始处的offset个字节；
    *SEEK_CUR	:表示偏移量设置为当前值加offset个字节；
    *SEEK_END	:表示偏移量设置为文件长度加offset个字节；
    */

**read函数**

/*
    *函数功能：读取已打开文件的数据；
    *返回值：若成功返回读取的字节数，若到文件尾则返回0，若出错则返回-1；
    */
    /*
    *函数原型：
    */
    #include <unistd.h>
    
    ssize_t read(int filedes, void *buf, size_t nbyte);
    
    /*
    *参数解释：
    *filedes是指所要读取文件的文件描述符；
    *buf存储所读取数据；
    *nbyte表示最多读取的字节数；
    */

**write函数**

/*
    *函数功能：向已打开文件写入数据；
    *返回值：若成功返回已写的字节数，若出错则返回-1；
    */
    /*
    *函数原型：
    */
    #include <unistd.h>
    
    ssize_t write(int filedes, const void *buf, size_t nbyte);
    
    /*
    *参数解释：
    *filedes是指所要写入数据文件的文件描述符；
    *buf存储所存储的数据；
    *nbyte表示最多写入的字节数；
    */

程序测试：

#include "apue.h"
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    
    #define buf_size 4096
    #define offset 1024
    
    int main(void)
    {
        const char* src_path = "./10_22.txt";
        const char* des_path ="./test.txt";
        int  fd,fs;
        ssize_t len;
        off_t num;
        char buf[buf_size];
        fd = open(src_path,O_RDONLY);
        if(fd == -1)
            printf("open the file error.\n");
        fs = open(des_path,O_RDWR|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IROTH);
        if(fs == -1)
            printf("open or creat the file error.\n");
        num = lseek(fd,offset,SEEK_CUR);
        printf("the offset of lseek is %d.\n",num);
        while((len = read(fd,buf,sizeof(buf))) > 0)
            write(fs,buf,len);
        close(fd);
        close(fs);
        return 0;
    }

## 文件共享 ##

UNIX支持不同进程共享打开的文件。内核使用三种数据结构表示打开的文件：

1.  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的描述符表。每个描述符占一项：描述符标志fd；指向一个文件表项的指针。
2.  内核维持一张所有打开文件的文件表，每个文件表项包含文件状态标志、当前文件偏移量、指向文件v节点表项的指针。
3.  每个打开文件有一个v节点表，每个v节点包含文件类型、操作函数指针和文件的i节点等。

Linux将v节点和i节点实现为独立于文件系统的i节点和依赖文件系统的i节点。

不同进程共享文件时，每个进程都有一个该文件的文件表项，指向同一个v节点表。多个文件描述符也可能指向同一个文件表项，如使用 dup 函数和 fork 后的父子进程。以下是不同进程共享同一个文件的示意图：

![Center][]

## 原子操作 ##

原子操作指由多步组成的操作，执行时要么全部执行，要么一步也不执行。  
多个进程共享同一个文件，可能造成进程对文件的连续的操作被打乱，这就需要使操作成为原子操作。如 O\_APPEND 将到尾端和写入数据组成原子操作，还有 O\_CREAT 和 O\_EXCL 将检查文件是否存在和创建文件组成原子操作。例如：pread 和 pwrite 将偏移量和读/写组成原子操作。

#include <unistd.h>
    
    /* 函数功能：定位并读取数据
    * 返回值：成功返回读到的字节数，已到文件尾则返回0，出错返回-1 ；
    */
    ssize_t pread(int fd, void *buf, size_t count, off_t offset);
    /* 函数功能：定位并写入数据
    * 返回值：成功返回写入的字节数，出错返回-1 ；
    */
    ssize_t pwrite(int fd, const void *buf, size_t count, off_t offset);

**dup函数**

/*
    *函数功能：复制已有的文件描述符；
    *返回值：若成功返回当前可用的文件描述符最小值，若出错则返回-1；
    */
    /*
    *函数原型：
    */
    #include <unistd.h>
    
    int dup(int filedes);
    
    /*
    *参数解释：
    *filedes是指当前文件的文件描述符；
    */

**dup2函数**

/*
    *函数功能：复制已有的文件描述符；
    *返回值：若成功返回参数filedes2指定的文件描述符，如果filees2已经打开，则现将其*关闭，如果filedes1等于filedes2，则返回filedes2，不关闭；若出错则返回-1；
    */
    /*
    *函数原型：
    */
    #include <unistd.h>
    
    int dup2(int filedes1，int filedes2);
    
    /*
    *参数解释：
    *filedes是指当前文件的文件描述符；
    */

**刷新缓冲区函数**

unix系统在写数据时是采用文件延迟写，但是我们可以自己刷新缓冲区，将数据写入磁盘。以下是刷新缓冲区，将数据写入磁盘的函数sync，fsync，fdatasync；

#include <unistd.h>
    
    /* 将所有修改过的块缓冲区排入写队列，然后返回，不等待写磁盘结束 */
    void sync(void);
    /* 对指定文件刷新块缓冲区，等待写磁盘结束，更新文件属性
    * 返回值：成功返回0，出错返回-1 */
    int fsync(int fd);
    /* 对指定文件刷新块缓冲区，等待写磁盘结束，不更新文件属性
    * 返回值 成功返回0，出错返回-1 */
    int fdatasync(int fd);

**fcntl函数**

/*
    *函数功能：可以改变已打开文件的性质。
    *函数原型：
    */
    #include <unistd.h>
    #include <fcntl.h>
    /* 
     * 返回值：成功依赖于cmd，出错返回-1 
    */
    int fcntl(int filedes, int cmd, ... /*int arg */ );
    /*
    *参数解释：
    *filedes表示文件描述符；
    *cmd参数，根据 cmd 值的不同，有以下5种功能：
    *
    *（1）F_DUPFD ，复制一个现有的描述符。新描述符为大于等于 arg 的最小可用值。
    *（2）F_GETFD 、 F_SETFD ，获取/设置文件描述符标记。文件描述符标志只有 FD_CLOEXEC ，但一般使用0或1，分别代表 exec 时不关闭或关闭，0为默认值。
    *（3）F_GETFL 、 F_SETFL ，获取/设置文件状态标志。可获取的文件状态标志见 open 函数的 flags 可取值，可设置的文件状态标志不包括访问模式位和创建模式位。
    *（4）F_GETOWN 、 F_SETOWN ，获取/设置异步I/O所有权，即接收 SIGIO 和 SIGURG *信号的进程ID或进程组ID， arg 为正为进程ID， arg 为负为等于其绝对值的进程组ID。
    *（5）F_GETLK 、 F_SETLK 、 F_SETLKW ，获取/设置记录锁。
    *agr是指定的整数值；
    */

参考资料：

《unix高级环境编程》

[Center]: /images/20220810/46f5002a990546d28ae5374ac0af7be5.png