：系统级I⁄O
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了：系统级I⁄O相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
0. 学习原因
大多时候，高级别I/O函数工作良好，没必要直接用Unix I/O，为何需学习？
- 了解Unix I/O将帮助理解其他系统概念。I/O是系统操作不可或缺的部分，因此经常遇到I/O和其他系统概念之间的循环依赖
- 有时必须用Unix I/O，用高级I/O不太可能或不合适，如标准I/O库没提供读取文件元数据的方式，此外I/O库存在一些问题
1. Unix I/O
输入/输出（I/O）是主存和外部设备之间复制数据的过程，在 Linux 中，文件就是字节的序列。所有的 I/O 设备（如网络、内核、磁盘和终端等）都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当作对相应文件的读和写来执行。这种将设备映射为文件的机制，允许内核引出简单、优雅的应用接口Unix I/O，使得所有输入和输出都以统一的方式执行，如 open()/close() 打开/关闭文件，read()/ write() 读/写文件。seek()改变当前文件位置。Unix I/O主要分为两大类：
为区分不同文件的类型，会有一个 type 来进行区别：
- 普通文件：包含任意数据
- 目录：相关文件组的索引
- Socket：用于另一台机器上的进程通信
还有一些特别的类型仅做了解：命名管道(FIFOs)、符号链接、字符和块设备
普通文件
普通文件包含任意数据，应用程序通常需区分文本文件和二进制文件。前者只包含 ASCII 或 Unicode 字符。除此之外的都是二进制文件(对象文件, JPEG 图片, 等等)。内核不能区分出区别。
文本文件是文本行的序列，每行以 \\n 结尾，新行是 0xa，和 ASCII 码中LF一样。不同系统判断行结束的符号不同(End of line, EOL)，Linux & Mac OS是\\n(0xa)等价line feed(LF)，而Windows & 网络协议是\\r\\n (0xd 0xa)等价Carriage return(CR) followed by line feed(LF)
目录
目录包含一个链接(link)数组，且每个目录至少包含两记录：.(dot) 当前目录、..(dot dot) 上层目录
操作命令主要有 mkdir, ls, rmdir。目录以树状结构组织，根目录是 /(slash)。
内核会为每个进程保存当前工作目录(cwd, current working directory)，可用 cd 命令进行更改。通过路径名来确定文件的位置，分为绝对路径和相对路径。
2. 文件操作
2.1 打开文件
打开文件会通知内核已准备好访问该文件
int fd; // 文件描述符 file descriptor
if ((fd = open("/etc/hosts", O_RDONLY)) < 0)
perror("open");
exit(1);
返回值是一个小的整型称为文件描述符(file descriptor)，若该值等于 -1 则说明发生错误。每个由 Linux shell创建的进程都会默认打开三个文件（注意这里的文件概念）：
- 0: standard input(stdin)
- 1: standard output(stdout)
- 2: standar error(stderr)
2.2 关闭文件
关闭文件会通知内核已完成对该文件的访问
int fd; // 文件描述符
int retval; // 返回值
int ((retval = close(fd)) < 0)
perror("close");
exit(1);
关闭一个已经关闭的文件是线程程序中的灾难（稍后会详细介绍），所以一定要检查返回值，哪怕是看似良好的函数如 close()
2.3 读取文件
读取文件将字节从当前文件位置复制到内存，然后更新文件位置
char buf[512];
int fd;
int nbytes
// 打开文件描述符，并从中读取 512 字节的数据
if ((nbytes = read(fd, buf, sizeof(buf))) < 0)
perror("read");
exit(1);
返回值是读取的字节数量，是一个 ssize_t 类型（其实就是一个有符号整型），如果 nbytes < 0 那么表示出错。nbytes < sizeof(buf) 这种情况(short counts) 是可能发生的，而且并不是错误。
2.4 写入文件
写入文件将字节从内存复制到当前文件位置，然后更新当前文件位置
char buf[512];
int fd;
int nbytes;
// 打开文件描述符，并向其写入 512 字节的数据
if ((nbytes = write(fd, buf, sizeof(buf)) < 0)
perror("write");
exit(1);
返回值是写入的字节数量，如果 nbytes < 0 表示出错。nbytes < sizeof(buf) 这种情况(short counts) 是可能发生的，且不是错误。
2.5 读取目录
可用readdir系列函数读取目录的内容，每次对readdir的调用返回的都是指向流dirp中下一个目录项的指针，或没有更多目录项则返回NULL，每个目录项都有结构体：
struct dirent
ino_t d_ino; /* inode number */
char d_name[256]; /* filename */
;
2.6 简单Unix I/O 例子
拷贝文件到标准输出，一次一个字节：
int main(int argc, char *argv[])
char c;
int infd = STDIN_FILENO;
if (argc == 2)
infd = Open(argv[1], O_RDONLY, 0);
while(Read(infd, &c, 1) != 0)
Write(STDOUT_FILENO, &c, 1);
exit(0);
前面提到的 short count 会在下面的情形下发生：
- 读取的时遇到 EOF(end-of-file)
- 从终端中读取文本行
- 读和写网络 sockets
但下面的情况下不会发生
- 从磁盘文件中读取（除 EOF 外）
- 写入到磁盘文件中
最好总是允许 short count，这样就可以避免处理这么多不同的情况。
int main(int argc, char *argv[])
char buf[BUFSIZE];
int infd = STDIN_FILENO;
if (argc == 2)
infd = Open(argv[1], O_RDONLY, 0);
while((nread = Read(infd, buf, BUFSIZE)) != 0)
Write(STDOUT_FILENO, buf, nread);
exit(0);
3. 元数据
元数据是用来描述数据的数据，由内核维护，可以通过 stat 和 fstat 函数来访问，结构是：
struct stat
dev_t st_dev; // Device
ino_t st_ino; // inode
mode_t st_mode; // Protection & file type
nlink_t st_nlink; // Number of hard links
uid_t st_uid; // User ID of owner
gid_t st_gid; // Group ID of owner
dev_t st_rdev; // Device type (if inode device)
off_t st_size; // Total size, in bytes
unsigned long st_blksize; // Blocksize for filesystem I/O
unsigned long st_blocks; // Number of blocks allocated
time_t st_atime; // Time of last access
time_t st_mtime; // Time of last modification
time_t st_ctime; // Time of last change
对应的访问例子：
int main (int argc, char **argv)
struct stat stat;
char *type, *readok;
Stat(argv[1], &stat);
if (S_ISREG(stat.st_mode)) // 确定文件类型
type = "regular";
else if (S_ISDIR(stat.st_mode))
type = "directory";
else
type = "other";
if ((stat.st_mode & S_IRUSR)) // 检查读权限
readok = "yes";
else
readok = "no";
printf("type: %s, read: %s\\n", type, readok);
exit(0);
3.1 共享文件
可用许多不同的方式共享Linux文件。要理解文件共享就得理解三个表示打开文件的数据结构。
- 描述符表：每个进程都有独立的描述符表，表项是进程打开的文件描述符索引，每个打开的描述符表指向文件表中的一个表项
- 文件表：打开文件的集合是由一张文件表表示，所有进程共享该表，每个文件表的表项组成包括当前文件位置、引用计数、指向v-node表中对应表项的指针。关闭描述符减少文件表项引用计数直到为0会删除文件表项
- v-node表：同文件表一样所有进程共享该v-node表，每个表包含stat结构中的大多数信息
以上是关于：系统级I⁄O的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章