APUE---文件I/O

Posted 2020-07-17 制造天堂

一、引言

　　UNIX系统中的大多数文件对I/O只需用到5个函数：open/read/write/lseek和close，这些函数都是不带缓冲I/O(Unbuffered I/O)。只要涉及到多个进程间共享资源，原子操作的概念就变得非常重要，后面将介绍：dup/fcntl/sync/fsync和ioctl。

二、文件描述符

　　对于内核而言，多有打开的文件都通过文件描述符引用。文件描述符是一个非负整数，当打开一个现有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。按照惯例：UNIX系统shell把文件描述符0（STDIN_FILENO）与进程的标准输入关联，文件描述符1(STDOUT_FILENO)与标准输出关联，文件描述符2(FILEERR_FILENO)与标准错误关联，这几个宏定义在<unistd.h>中。

三、函数open和openat

#include <fcntl.h>
int open(const char *path, int aflag,.../*mode_t mode*/);
int openat(int fd, char *path, int aflag, .../*mode_t mode*/)
//若成功，返回文件描述符；若出错，返回-1

　　ISO C用...这种方法表明余下的参数数量极其类型是可变的，并且由open/openat函数返回的文件描述符一定是最小的未用描述符数值。对于open函数而言，仅当创建新文件时才使用最后这个参数。path参数是要打开或创建文件的名字，aflag参数可用来说明此函数的多个选项。aflag参数由两类组成：

第一类，必须要在5个中指定一个且只能指定一个：O_RDONLY (只读打开)、O_RDONLY （只写打开）、O_RDWR（读/写打开)、O_EXEC（只执行打开）、O_SERACH （应用于目录，搜索打开）

第二类，可以叠加：O_APPEND(每次写时追加都文件的尾端)、O_CREATE（若此文件不存在则创建它，并且此时需要指定mode来设置新文件访问权限）、O_EXCL（如果同时指定了O_CREATE，当文件存在时，则出错）、O_DIRECTORY（如果path引用的不是目录，则出错）、O_NONBLOCK（如果path引用的是一个FIFO等，此选项为文件的本次打开操作和后续I/O设置为非阻塞式）、O_SYNC（使每次write等待物理I/O操作完成，包括由该write操作引起的文件属性更新所需的I/O）、O_TRUNC（若此文件存在，将其截断为0）、O_DSYNC（使每次write要等待物理I/O操作完成，但是如果该写操作并不影响读取刚写入的数据，则不需等待文件属性被更新）、O_RSYNC（使每一个以文件描述符作为参数进行的read操作等待，直至所有对文件同一部分挂起的写操作完成）

　　fd参数把open和openat函数区分开：

1.path参数指定的是绝对路径名，这种情况下，fd参数被忽略，openat函数就相当于open函数

2.path参数指定的是相对路径名，fd参数指出了相对路径名在文件系统中的开始位置。fd参数是通过打开相对路径名所在的目录来获取

3.path参数指定的是相对路径名，fd参数具有特殊值AT_FDCW，路径名在当前工作目录中获取，openat函数在操作上与open函数类似。

　　openat函数存在的意思有两点：1.让线程可以使用相对路径名打开目录中的文件，而不再只能打开当前工作目录；2.可以避免time-of-check-to-time-of-use错误。

四、函数create和函数close

　　open函数提供了O_CREAT和O_TRUNC，于是就不再需要单独的create函数。

　　当一个进程结束时，内核自动关闭它所有的打开文件，很多程序都利用了这一功能而不显式调用close关闭打开文件。

五、函数lseek

　　每个打开文件都有一个预期相关联的“当前文件偏移量”（current file offset），它通常是一个非负整数，用以度量从文件开始处计算的字节数。通常读写操作都从当前文件偏移量处开始，并使偏移量增加所读写的字节数。按系统默认的抢矿，当打开一个文件时，除非指定O_APPEND选项，否则该偏移量被设置为0。我们可以调用lseek显式地为一个打开文件设置偏移量。

#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
//若成功，返回新的文件偏移量；若出错，返回-1

　　对参数offset的解释与参数whence的值相关：

1.SEEK_SET  ：则将该文件的偏移量设置为据文件开始处offset个字节

2.SEEK_CUR ：则将该文件的偏移量设置为当前值加offset（offset可以为负数）

3.SEEK_END ：则将该文件的偏移量设置为文件长度加offset（offset可以为负数）

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    if(lseek(STDIN_FILENO, 0, SEEK_CUR) == -1)
    {
        printf("cannot seek\\n");
    }
    else
    {
        printf("seek ok \\n");
    }
    exit(0);
}

3-1:测试标准输入能否被设置偏移量

　　因为某些设备也可能允许负的偏移量。但对于普通文件，其偏移量必须是非负值。因为其返回值可能是负值，所以在比较lseek的返回值时应当谨慎，不要测试它是否小于0，而要测试它是否等于-1.还有一点需要注意的是：lseek仅将当前的偏移量记录在内核中，它并不引起任何I/O操作，然后，该偏移量用于下一个读写操作。

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

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

int main()
{
   int fd;
   if((fd = creat("file.txt", FILE_MODE)) < 0)
   {
       printf("create error\\n");
       return -1;
   } 
   
   if(write(fd, buf1, 10) != 10)
   {
       printf("buf1 write error\\n");
       return -1;
   }
    
   if(lseek(fd, 16384, SEEK_SET) == -1)
   {
       printf("lseek error\\n");
       return -1;
   }
    
   if(write(fd, buf2, 10) != 10)
   {
       printf("buf2 write error");
       return -1;
   }
    
   return 0;
}

3-2：创建一个具有空洞的文件

六、函数read

　　调用read函数从打开文件中读数

#include <unistd.h>
size_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
//返回值：读到的字节数，若已到文件尾，返回0,；若出错，返回-1

　　有多种情况可使实际独到的字节数少于要求读的字节数：

1.读普通文件时，在读到要求字节数之前到达文件尾端

2.从终端设备读时，通常一次最多读一行

3.当从网络设备读时，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

4.当从管道或FIFO读时，若管道包含的字节少于所需的数量，那么read将只返回实际可用的字节数

5.当从某些面向记录的设备读时，一次最多返回一个记录

6.当一信号造成中断，而已经读了部分数据量时

据