Chapter 3 文件I/O

1.文件描述符

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候，内核向进程返回一个文件描述符。Unix系统shell使用文件描述符0与进程的标准输入相关联，文件描述符1与进程的标准输出相关联，文件描述符2与进程的标准出错相关联，在POSIX标准中，幻数0、1、2应当替换为符号常量STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO,另外文件描述符变化范围：0~OPEN_MAX，现在很多系统将OPEN_MAX置为63

2.open函数

调要open函数可以打开或创建一个文件。

函数原型

#include <fcnt1.h>
int open(const char *pathname,int oflag,/*mode_t made*/);

      pathname是需要打开的文件；

      oflag参数用来说明此函数的多个选项。用 O_RDONLY（只读）,O_WRONLY（只写）,O_REWR（读写）。这三个常量必须指定，有且只能指定一个，并且和下列多个常量进行或运算构成：

      O_APPEND        每次写时都追加到文件的尾端

      O_CREAT          若文件不存在则创建它，需要第三个参数为指定文件的访问权限

      O_EXCL            若同时指定O_CREAT，而文件存在则会出错，用此则可以测试文件是否存在，若不存在则创建这个文件

      O_TRUNC         如果此文件不存在，而且为只写或读写成功打开，则将其长度截短为0

      O_NOCTTY        若pathname指的是终端设备，则不将该设备分配为此进程的控制端

      O_NONBLOCK    非阻塞模式

      这些常量是可选择的

3.create函数

函数原型

#include <fcnt1.h>
int create(const char *pathname,mode_t mode);

此函数等效于

open(pathname,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,mode);

4.close函数

函数原型

#include<fcnt1.h>
int close (int filedes);  //返回值若成功返回0不成功返回-1

 

5.lseek函数

可以用lseek显式地为一个打开的文件设置其偏移量。

函数原型

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

参数whence可以置为下值

SEEK_SET,则将该文件的偏移量设置为距文件开始出offset个字节

SEEK_CUR,则将该文件的偏移量设置为其当前值加offset,offset可正可负

SEEK_END,则将该文件的偏移量设置为文件长度加offset,offset可正可负

若lseek成功执行，则返回新的文件偏移量，为此可以用下列方式确定打开文件的当前偏移量

off_t currpos;
currpos = lseek(fd,0,SEEK_CUR);

这种方法也可以用来确定所涉及的文件是否可以设置偏移量，如果文件描述符引用的是一个管道、FIFO进而网络套接字，则lseek返回-1，并将errorn设置为ESPIPE。

注意：

1).lseek仅将当前的文件偏移量记录在内核中，它并不引起任何I/O操作

2).文件偏移量可以大于文件的当前长度，在这种情况下，对该文件下一次的写将加长该文件，并在文件构成一个空洞，这一点是允许的。位于文件中但没有写过的字节都被设为 0

3).文件中的空洞并不要求在磁盘上占用存储区。

6.read函数

从打开的文件中读数据到buf

#include <unistd.h>
ssize_t read(int filedes,void *buf,size_t nbytes);

返回值：若成功则返回读到的字节数，若已到文件结尾则返回0，若出错返回-1；

7.write函数

调用write函数向打开的文件写数据

#include <unistd.h>
ssize_t write(int filedes,const void *buf,size_t nbytes);

返回值：若成功则返回字节数,若出错返回-1

注：write出错的一个常见原因是：磁盘已写满，或者超过了一个给定进程的文件长度限制

8.dup和dup2函数

这两个函数都用来复制一个现存的文件描述符

#include <unistd.h>
 
int dup(int filedes);    
int dup2(int filedes,int filedes2);   //filedes2参数指定新描述符的数值。如果filedes2已经打开，则先关闭。

返回值：若成功返回新的文件描述符，若出错则返回-1

调用

dup(filedes);

等效于

fcntl(filedes, F_DUPFD, 0);

而调用

dup2(filedes, filedes2);

等效于

close(filedes2);
fcntl(filedes, F_DUPFD, filedes2);

区别

1).dup2是一个原子操作，而close及fcntl则包括两个函数调用，有可能在close和fcntl之间插入执行信号捕获函数

2).dup2和fcntl有某些不同errorno

9.sync,fsync ,fdatasync函数

为了解决延迟写的问题，保证磁盘上实际文件系统和缓冲区高速缓存中内容的一致性。

  #include <unistd.h>
 
int fsync(int filedes);           // 只对由文件描述符filedes指定的单一文件其作用，并且等待写磁盘操作结束
 
int fdatesync(int filedes);       //功能和fsync差不多，但它还同步更新文件的属性
 
void sync(void);                  //将所有修改过的快缓冲区排入写队列，然后返回，它并不等待实际写磁盘操作结束

10.fcntl函数

可以改变已打开的文件性质

#include <fcnt1.h>
 
int fcnt1(int filedes,int cmd, /* int arg *);

第三个参数总是一个整数，与上面所示函数原型中的注释部分相对应。但是在作为记录锁用时，第三个参数则是指向一个结构的指针。

fcntl函数有5种功能：

1).复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.
2).获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
3).获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
4).获得／设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
5).获得／设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW).

11.ioctl函数

ioctl函数是I/O操作的杂物箱，完成其他函数都无法完成的操作

#include <unistd.h>          /*System V*/
#include <sys/ioctl.h>       /*BSD and Linux*/
#include <stropts.h>         /*XSI STREAMS*/

int ioctl(int filedes, int request, . . .);

详见APUE第十八章

12./dev/fd

   比较新的unix/linux系统都提供名为/dev/fd的目录，其中有文件0、1、2等文件，打开这些文件，相当于复制这些文件描述符

例如：

fd=open("/dev/fd/0",mode);

等价于

fd=dup(0);

文件描述符fd和0将共享一个文件表记录项。

13.文件共享

文件共享是指不同进程间打开文件的共享。内核通过三种数据结构来表示打开的文件，

1).每个进程有个进程表项，表中是打开文件的描述符向量。每个向量包含了文件描述符标记和一个指向文件表项的指针；

2).内核为所有打开的文件维护一个文件表，每个文件表项包括了a，文件状态标记，如读、写、添加、非阻塞等b，当前的文件偏移量c，指向文件v-node表项的指针；

3).每个打开文件或设备都有一个v-node结构   ，包含文件类型和指向操作文件的函数的指针。

当两个以上独立进程打开同一个文件实现文件共享时，内核维护不同的文件表项，就是两个以上进程表项中的文件表项指针指向不同的文件表项，而不同的文件表项中的v-node指针指向同一个v-node而实现文件共享。由于每个进程有自己的打开文件表项，所以有自己的文件打开状态以及文件偏移量。

需要注意的是Linux没有将相关数据分为i节点和v节点，而是采用了一个独立于文件系统的i节点(通用i-node结构)和一个依赖于文件系统的i节点