《C程序设计语言》笔记 UNIX系统接口

Posted 2020-10-14

8.1 文件描述符

UNIX操作系统通过一系列的系统调用提供服务，这些系统调用实际上就是操作系统内的函数

ANSI C标准函数库是以UNIX系统为基础建立起来的

在UNIX系统中所有的外围设备都被看作是文件系统中的文件，因此，所有的输入输出都要通过文件读写完成

也就是说，通过一个单一的接口就可以处理外围设备和程序之间的所有通信

在读写文件之前，必须先将这个意图通知系统，该过程称为打开文件

如果是写写一个文件，则可能需要先创建该文件

操作系统想程序返回一个小的非负整数，该整数称为文件描述符。

任何时候对文件的输入输出都是通过文件描述符标识文件，而不是通过文件名标识文件

系统负责维护已打开文件的所有信息，用户程序只能通过文件描述符引用文件

因为大多数的输入输出都是通过键盘和显示器来实现的
为了方便起见，UNIX对此做了特别的安排
当命令解释程序运行一个程序的时候，它将打开3个文件
对应的文件描述符分别是012 依次标识标准输入 标准输出 标准错误

　　

8.2 低级IO --read和write

 

输入输出是通过read和write系统调用实现的

在C语言中，可以通过函数read和write访问这两个系统调用

read(int fd,char *buf,int n);

write(int fd,char *buf,int n);

第一个参数是文件描述符

第二个参数是程序中存放读写的数据的字符数组

第三个参数是要传输的字节数

没个调用返回实际传输的字节数

在读文件时，函数的返回值可能会小于请求的字节数

如果返回值为0，则标识已到达文件结尾

如果返回-1则表示发生了某种错误


在写文件时返回值是实际写入的字节数

如果返回值与写入的字节数不相等，则说明发生了错误

在一次调用中，读写的数据可以为任意大小

最常用的值为1，即每次读写1字节(无缓冲)

或是类似于1024或4096这样的与外围设备的物理块大小相应的值

用更大的值调用该函数可以获得更高的效率，因为系统调用的次数减少了

#include "syscalls.h"

main()
{
   char buf[BUFSIZ];
   int n;

   while((n = read(0,buf,BUFSIZ)) > 0)
      write(1,buf,BUFSIZ);
   return 0;
}

系统调用的函数原型集中放在一个syscalls.h中

参数BUFSIZ也已经包含中头文件中

对应所使用的操作系统来说，该值是一个较合适的数值

如果文件大小不是BUFSIZ的倍数，则对read的某次调用会返回一个较小的字节数

//getchar实现

int getchar(void)
{
   char c;
   return (read(0,&c,1)==1)?(unsigned char) c : EOF;
}

其中c必须是一个char类型的变量，因为read函数需要一个字符指针类型的参数

在返回语句中将c转换为unsigned char类型可以消除符号扩展问题

如果要在包含头文件<stdio.h>的情况下编译getchar函数

就必须用#undef预处理指令取消getchar的宏定义

因为在头文件中,getchar是以宏方式实现的

　　

8.3 open creat close 和unlink

除了默认的标准输入 标准输出和标准错误文件外

其他文件都必须在读写前显式打开

系统调用open和creat用于实现该功能

open和fopen很相似，不同的是 

open非常一个文件描述符 int类型的数值

fopen返回一个文件指针

#include <fcntl.h>

int fd;

fd = open(char *name,int flags,int perms);

参数name文件名

flags是一个int类型的值，说明文件打开方式 
包括
    
     O_RDONLY  只读
    O_WRONLY  只写
    O_RDWR    读写

目前 open 参数perms的值始终为0；

如果打开的文件不存在则将导致错误


可以使用creat系统调用创建新文件或覆盖已有的文件

int fd;
fd = creat(char *name,int perms);

如果创建成功返回文件描述符 否则返回-1

如果此文件已存在，清空原来数据

使用creat创建一个已经存在的文件不会导致错误

如果要创建的文件不存在，以参数perms指定的权限创建文件

每个文件对应一个9比特的权限信息

所有者
所有者组
其他成员

一个程序同时打开的文件数是有限制的(通常为20)

如果一个程序需要同时处理许多文件，那么他必须重用文件描述符

函数close用了断开文件描述符和已打开文件直接的连接，并释放此文件描述符

close函数和标准库中的fclose函数想对应，但它不需要清洗(flush)缓冲区

如果程序通过exit函数退出或从主程序中返回，所有打开的文件将被关闭

函数unlink将文件从文件系统中删除，它对应标准库函数remove

　　

8.4 随机访问 lseek

输入输出通常是顺序进行的

每次调用read和write进行读写的位置紧跟在前一个操作的位置后

但是，有时需要以任意的顺序访问文件,系统调用lseek可以在文件中任意移动位置而不实际读写任何数据

long lseek(int fd,long offset,int orign);

将文件描述符fd的当前位置设置为offset

offset是相对于origin指定的位置而言

随后进行的读写操作将从此位置开始

使用lseek系统调用时，可以将文件视为一个大数组，其代价是访问速度慢一些

标准库函数fseek和系统调用lseek类似

不同的是，前者的第一个参数是FILE *类型

且发生错误时返回一个非0值

　　

8.5 实例 --  fopen和getc函数的实现

标准库中的文件不是通过文件描述符描述的,而是使用文件指针描述的

文件指针是一个指向包含文件各种信息的结构的指针

包含如下信息:

一个指向缓冲区的指针,通过它可以一次读入文件的一大块内容

一个记录缓冲区中剩余的字符数的计数器

一个指向缓冲区下一个字符的指针

文件描述符

描述读写模式的标志

描述错误状态的标志

描述文件的数据结构包含在<stdio.h>中

只供标准库中其他函数使用的名字以下划线开始,因此一般不会和用户程序中的名字冲突

　　

8.6 实例 -- 目录列表

在UNIX中的目录就是一种文件

ls只需读取此文件就可以获得所有的文件名

但是如果需要获取文件的其他信息,就需要系统调用

　　

8.7 实例 -- 存储分配程序

malloc在必要是调用系统以获取更多的存储空间

malloc并不是从一个在编译时就确定的固定大小的数组中分配存储空间

而是在需要的时候想操作系统申请空间

因为程序中的某些地方可能不通过malloc申请空间

所以malloc管理的空间不一定是连续的

这样空闲存储空间以空闲块链表的方式组织

每个块包含一个长度 

一个指向下一块的指针及一个指向自身存储空间的指针

当有申请请求时,malloc将扫描空闲块链表,直到找到一个足够大的块为止

该算法称为 "首次适应"

与之对应的算法是"最佳适应"

如果块恰好与请求的大小符合

将它从链表中移走并返回给用户

如果块太大,则将它分成两部分:

大小合适的返回给用户,剩下的部分留在空闲链表中

如果找不到足够大的块,则想操作系统申请一个大块并加入到空闲链表中

释放过程也是首先搜索空闲链表

以找到可以插入被释放块的合适位置

如果与被释放块相邻的任意一边是空闲,则将两块合并成一个大块

由malloc返回的存储空间满足将要保存的对象的对齐要求

虽然机器类型各异,但是每个特定的机器都有一个最受限的类型

如果最受限的类型可以存储在某个特定的地址中

则其他所以的类型也可以存放在此地址中

向系统申请存储空间是一个开销很大的操作

我们不希望每次malloc执行该操作

UNIX系统调用sbrk(n)返回一个指针,该指针指向n个字节的存储空间

如果没有空闲空间,sbrk返回-1