《UNIX环境高级编程》笔记——3.文件IO

一.引言

　　说明几个I/O函数：open、read、write、lseek和close，这些函数都是不带缓冲（不带缓冲，只调用内核的一个系统调用），这些函数不输入ISO C，是POSIX的一部分；

　　多进程共享资源(包括文件)时，会有很多额外的烦恼，需要对共享资源、原子操作等概念深入理解，需要理解涉及的内核有关数据结构，这些数据结构对理解文件、共享有重要作用；

　　最后介绍dup、fcntl、sync、fsync和ioctl函数。

二.文件描述符

　　open或creat文件时，内核——文件描述符fd——>进程，用于read、write等函数。内核中维护fd与文件的对应关系，fd是动态的，内核会先分配最小未使用的fd。

　　新进程执行时，shell会默认分配三个文件描述符，STDIN_FILENO/STDOUT_FILENO/STDERR_FILENO,一般为0/1/2，定义在<unistd.h>中。现在linux允许1个进程分配的文件描述符很多，一般不用关心最大值。

　　【收获】 <unistd.h>的全称为unix standard head，unix的标准调用。

三.函数open和openat

#include <fcntl.h>
int open( const char * path, int oflag, .../*mode_t mode*/);
int openat( int fd, const char * path, int oflag, .../*mode_t mode*/);

返回值：成功，返回文件描述符fd
　　　　出错，-1，具体错误保存在errno全局变量中

只有oflag指定新建文件时，第三个参数才有效，否则没有第三个参数。ISO C用...表示后面参数的数量和类型是可变的。

参数说明：

path：要打开或创建文件的名字
oflag：　　在<fcntl.h>---<bits/fcntl.h>---<bits/fcntl-linux.h>中定义
　　以下五选一，必选
　　O_RDONLY：只读打开
　　O_WRONLY:只写打开
　　O_RDWR:读写打开
　　O_EXEC:只执行,在linux里也没找到
　　O_SEARCH:只搜索，标准有，linux不支持
　　
　　以下为可选项
　　O_APPEND：每次write时都追加到文件尾端
　　O_CLOEXEC：把FD_CLOEXEC常亮设置为文件描述符标志，3.14节说明。与fcntl()函数有关。
　　O_CREAT：若文件不存在，则创建它，此时需要第三个参数mode_t
　　O_EXCL: O_CREAT|O_EXCL，如果文件存在，返回错误；如果不存在，创建。不存在时，检测是否存在和创建变成原子操作
　　O_DIRECTORY：如果不是目录，出错
　　O_NOCTTY:如果path是终端，则不将该设备作为此进程的控制终端
　　O_NOFOLLOW:如果path时符号链接，则出错
　　O_NONBLOCK:如果path时FIFO、块设备、字符特殊文件，则本次open和后续IO操作为非阻塞方式。
　　O_TRUNC:若文件存在，且打开方式包含WR，则将文件长度截断为0
　　O_SYNQ:每次write等待物理IO完成，包括文件属性的更新，linux在fcntl时不支持此选项
　　O_DSYNC:每次write等待物理IO完成，但是如果该写操作不影响读取刚写入的数据，则不需要等待文件属性被更新
　　O_RSYNQ:linux处理方式与O_SYNC相同
　　O_TTY_INIT:如果打开一个还未打开的终端设备，设置非标准termios参数值。18章讨论。

mode参数，说明新建文件的权限，头文件<sys/stat.h>
　　S_IRUSR 用户读
　　S_IWUSR 用户写
　　S_IXUSR 用户执行　
　　S_IRGRP 组读
　　S_IWGRP 组写
　　S_IXGRP 组执行
　　S_IROTH 其他读
　　S_IWOTH 其他写
　　S_IXOTH 其他执行

　　组合形式：S_IRWXU/S_IRWXG/S_IRWXO



　　【注意】以上宏定义都采用八进制，例如"chmod 777”时的777是8进制数据0777

openat比open多个fd,可以让线程使用相对目录打开文件，而不再是只能打开工作目录。默认1个进程中的多个线程只共享1个工作目录，所有线程都在这个工作目录里使用相对路径可能不方便。

　　如果path为绝对路径，fd被忽略；

　　如果path为相对路径，fd指定该相对路径的其实位置，fd是打开目录来获取的；

　　如果path为相对路径，fd=AT_FDCWD,则路径名在当前工作目录中获取

四.函数creat

open支持O_CREAT以后，creat()函数基本就没有太大用了。

#include <fcntl.h>
int creat( const char * path,mode_t mode);
返回值：成功，返回只写打开的文件描述符
      出错，-1

等效： open(path, O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,mode);

五.函数close

#include <unistd.h>
int close( int fd );
返回值：若成功，返回0
      若出错，返回-1

【注意】:关闭一个文件，回什邡加在该文件上的所有记录锁；

　　      进程终止，内核自动关闭它所有打开的文件，很多程序因此不显式的close()文件.

六.函数lseek

　　每个打开的文件都有与其关联的“当前文件偏移current file offset”，通常为非负整数，度量从文件开始处计算的字节数。

　　读写一般都从当前文件偏移开始;

　　open默认将偏移量设置为0，除非用O_APPEN选项。

　　可调用lseek显式地设置文件偏移，lseek仅将文件偏移记录在内核中，不引起IO操作。该偏移量用于下一次读写操作。

#include <unistd.h>
off_t lseek( int fd, off_t offset, int whence);

返回值：成功，返回新的文件偏移量
    　 出错，-1

参数：
　　whence:SEEK_SET----->偏移设置为“0（头）+offset(正数)”；
　　whence:SEEK_CUR----->偏移设置为“当前值+offset(正负)”;
   whence:SEEK_END----->偏移设置为“文件长度(尾)+offset(正负)”；

获取当前偏移，或检测当前文件是否可以设置偏移量的方法(FIFO,管道，网络套接字等不能设置偏移量)：

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

实例3_1 是否可以lseek测试

:/work/APUE/3_1$ cat example.c
/* lseek test */
#include <stdio.h>    // printf
#include <stdlib.h>    // exit
#include <unistd.h>

int main(int args, char *argv[])
{
    if( lseek(STDIN_FILENO,0,SEEK_CUR)==-1 )
        printf("Can't seek.
");
    else
        printf("Can seek.
")    ;
        
    exit(0);
}

:/work/APUE/3_1$ ./example < example.c　　　　# 普通文件作为example.c的标准输入（重定向了），可以lseek
Can seek.
:/work/APUE/3_1$ cat example.c | ./example  # 管道过来的输入不能lseek
Can't seek.

实例3_2 文件空洞，允许lseek到文件长度之后地方， 下次读或写时，会加大文件长度，中间未操作的地方形成“空洞”，空洞不占用磁盘空间。

七.函数read

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

多种情况会导致读到的字节数少于要求读的字节数：
1. 没读够就到文件尾了。例如想要100bytes，但到文件尾还有30bytes，会返回30（实际读到的字节数）；
2. 已到文件尾，返回0（实际读到的字节数）
3. 从特殊文件读，有限制：
　　终端设备，通常最多1行；
　　网络设备，缓冲机制能到导致没有那么多数据可读；
　　管道或FIFO，没那么多数据可读；
　　某些记录设备，一次最多返回1个记录；
4. 读时被信号中断


read对偏移的影响：当前偏移+实际读到的字节数——>新的偏

八.函数write

#include <unistd.h>
ssize_t  write(int fd, const void *buf,size_t nbytes);
返回值：成功，实际写的字节数
      出错，-1

返回值，一般等于nbytes，否则出错，出错原因一般是磁盘满或超过文件长度限制；
write与偏移：
　　一般文件，从当前偏移开始写；
　　open时用了O_APPEND参数，write时会先定位到文件尾部
　　write后，偏移+=实际写入的字节

九.IO的效率！！！

　　上述程序，BUFFSIZE的值对效率影响比较大，太小，循环次数多，频繁read、write系统调用，效率低。以空间换时间。

　　

十.文件共享！！！

　　unix允许不同进程共享文件，为对共享进行说明，需要先说明内核IO相关数据结构。

　 10.1数据结构

　　

　　以下数据结构的实例均为linux，linux遵循上述结构，但是也不完全一致。

　　1.进程结构体中包含文件表，文件表中可以找到多个文件表项

　　2.文件表项：内核为所有打开文件维持一张文件表，包括：

　　　　a. 文件状态标志（读、写、添写、同步和非阻塞等）；

　　　　b. 文件当前偏移量

　　　　c.指向该文件V节点的指针（linux没有V节点）

　　3.v-node和i-node

　　　　每个文件都有，保存在磁盘上，与文件对应，打开文件时获取的，主要包括文件的所有者、文件长度、指向文件实际数据块在磁盘所在位置的指针等。

　　　　v-node是与文件系统无关的，所以单独提出来。linux里没有v-node，而是采用“与文件系统无关的i节点”+“与文件系统有关的i节点”的方式。

　　【扩展linux的数据结构】

include/linux/sched.h
struct task_struct {
    ......
    struct files_struct *files;　　// 文件描述符列表
    ......
}

include/linux/fdtable.h
/*
 * Open file table structure
 */
struct files_struct {
  /*
   * read mostly part
   */
    atomic_t count;
    struct fdtable __rcu *fdt;
    struct fdtable fdtab;
  /*
   * written part on a separate cache line in SMP
   */
    spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
    int next_fd;
    unsigned long close_on_exec_init[1];
    unsigned long open_fds_init[1];
    struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];　　　　//各文件表项
};

include/linux/fs.h
struct file {
    /*
     * fu_list becomes invalid after file_free is called and queued via
     * fu_rcuhead for RCU freeing
     */
    union {
        struct list_head    fu_list;
        struct rcu_head     fu_rcuhead;
    } f_u;
    struct path        f_path;
#define f_dentry    f_path.dentry
    struct inode        *f_inode;    /* cached value */　　// i节点指针
    const struct file_operations    *f_op;

    /*
     * Protects f_ep_links, f_flags, f_pos vs i_size in lseek SEEK_CUR.
     * Must not be taken from IRQ context.
     */
    spinlock_t        f_lock;
#ifdef CONFIG_SMP
    int            f_sb_list_cpu;
#endif
    atomic_long_t        f_count;
    unsigned int         f_flags;　　// 对应open的flag参数中的一部分
    fmode_t            f_mode;　　　
    loff_t            f_pos;　　　　// 偏移
    struct fown_struct    f_owner;
    const struct cred    *f_cred;
    struct file_ra_state    f_ra;

    u64            f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
    void            *f_security;
#endif
    /* needed for tty driver, and maybe others */
    void            *private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL
    /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
    struct list_head    f_ep_links;
    struct list_head    f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
    struct address_space    *f_mapping;
#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT
    unsigned long f_mnt_write_state;
#endif
}；

　　10.2 两个进程打开同一文件

 

　　虽然是同一个文件，但是每个进程都有自己对应的文件表项，文件表项中保存着该进程对该文件的当前偏移量；

　　在此说明write和lseek中关于偏移的操作：

　　1. write nbytes——>该进程对应文件表项的偏移量增加nbytes——>如果偏移大于当前文件长度，则修改i节点中的当前文件长度；

　　2. O_APPEND打开的文件，相应标记保存在文件表项中——>每次write，先把文件选项中的当前偏移=i节点中的文件长度

　　3. lseek只改变文件表项中当前文件偏移

　　可能有多个fd指向同一文件表项的情况，fork子进程时，此时与上图有点差别。文件描述符标志（task_struct）和文件状态标志（文件表项中）的作用范围不同，前者对应进程，后者应用于指向该文件表项的所有进程。

十一.原子操作

　　多个进程打开同一文件，如果有write操作，可能存在已执行问题。以下为几种出问题的情况：　　

　11.1. 向文件尾部写入数据

if（ lseek(fd, 0,SEEK_END) < 0）  // 定位到文件尾
    err();　　　　
if( write(fd,buf,100)!=100 )　　　// 写
    err();

　　lseek和write是分开的，进程1 lseek定位到尾部了，但是还没写，进程2 在尾部write了，此时文件的实际变大了，进程1再写时会覆盖刚才进程2的内容，导致出错。

　　解决方法1：是使用O_APPEND打开文件，每次只调用write就可以了，不用再lseek，每次都是原子的。

　　解决方法2: 使用pread和pwrite，这两个函数自带偏移，就不存在先lseek在write/read的非原子操作问题了。

#include <unistd.h>
ssize_t pread( int fd, void * buf, size_t nbytes,off_t offset);
返回值：成功：读到的字节数；
      出错：-1
ssize_t pwrite( int fd, void * buf, size_t nbytes,off_t offset);
返回值：成功：写入的字节数；
      出错：-1

pread与“lseek后再read”的区别
pread无法中断定位和读操作；
不更新文件偏移

pwrite区别也类似。

11.2. 创建一个文件

　　先open检测，再创建，也是非原子的。

　　解决方法：open使用O_CREAT|O_EXCL创建。

　　【注意】其实最好的方法应该还是给文件上锁，比较保险而且直观，后面会介绍。

十二.函数dup和dup2

　　复制1个fd，使新的fd与原来的fd指向同一个文件表项，这种在多线程操作1个文件的场合应该有些用处。

　　

　　

#include <unistd.h>
/* Duplicate fd, returning a new file descriptor on the same file.  */
int dup( int fd);
/* Duplicate FD to FD2, closing FD2 and making it open on the same file. */
int dup2( int fd, int fd2);

返回值：成功：新的文件描述符
　　　　失败：-1

dup一定返回最小未使用的fd；
dup2可以用fd2制定新描述符的值:
　　如果fd2已经打开，先关闭;
　　如果fd2=fd，返回fd2，不关闭
　　否则，fd2的FD_CLOEXEC标记被清除，fd2在进程调用exec时是打开状态

newfd = dup(1);　　// 见上图

　　fcntl也可以实现dup的功能

dup（fd） ～～～～　fcntl（fd，F_DUPFD,0）
dup（fd,fd2） ～～～～ close(fd2); fcntl（fd，F_DUPFD,fd2）
dup2与fcntl稍有差别：
　dup2原子，close+fcntl不是；
　errno可能不同

十三.函数sync、fsync和fdatasync

　　大多数磁盘操作——>缓冲区，排入队列——>晚些时候真正写入磁盘，这种方式叫延迟写。内核需要重用缓冲区写入其他内容时，原本在缓冲区的内容会实际写入磁盘。跟cpu的cache机制差不多，为了提高效率。有几个函数可以操作缓冲区与磁盘的一致性：

#include <unistd.h>
int fsync( int fd);
int fdatasync( int fd);
void sync(void);

• sync:所有修改的块缓冲区——>写队列，然后返回，不等待写磁盘完成；通常，称为update的守护进程，周期性的调用sync函数，定期flush块缓冲区；
• fsync：只对fd一个文件有作用，且等待写磁盘完成后返回，更新“数据+属性”；
• fdatasync:与fsync差不多，区别为只更新“数据”；

十四.函数fcntl

14.1 fcntl函数

　　　改变已经打开文件的属性。

#include <fcntl.h>
int fcntl( int fd , int cmd, .../*int arg*/);
返回值：成功，依赖cmd
　　   失败，-1

参数说明：
cmd：
　　F_DUPFD:复制fd，返回未使用、>=第三个参数（int arg）、最小的描述符。
　　　　　　与fd共享文件表项，但有自己的一套文件描述符标志，其中FD_CLOEXEC标志被清除。
　　F_DUPFD_CLOEXEC:同上，区别是额外设置FD_CLOEXEC标志。
　　F_GETFD:返回fd的文件描述符标志，目前仅有FD_CLOEXEC
　　F_SETFD:使用第三个参数（int arg）设置文件描述符标志

　　F_GETFL：返回fd对应的文件状态标志，是open（fd,flg,...）函数flg参数的一部分，具体标志见后面的表格
　　F_SETFL:将文件状态标志设置为第三个参数（int arg）的值，目前支持除了前5个外的其他标志

　　F_GETOWN:返回当前接收SIGIO/SIGURG信号的进程ID和进程组ID，后面介绍。
　　F_SETOWN：设置接收SIGIO/SIGURG信号的进程ID和进程组ID，第三个参数，正的arg指定进程ID，负的arg指定进程组ID（arg）。

 

 实例1，获取文件属性

example.c

/* lseek test */
#include <stdio.h>    // printf
#include <stdlib.h>    // exit
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>    // errno
#include <string.h>    // strerror
#include <sys/stat.h>    // mode

int main(int args, char *argv[])
{
    int fd;
    int flag;

    if( args < 2 ){
        printf("input pere err.
");
        exit(1);    
    }
    
    fd = atoi(argv[1]);
    if( (flag=fcntl( fd, F_GETFL )) < 0 ){
        printf("fcntl F_GETFL err.
");
        exit(1);    
    }
        
    switch(flag&O_ACCMODE){
    case     O_RDONLY:
        printf("read only.
");
        break;
    case     O_WRONLY:
        printf("write only.
");
        break;
    case     O_RDWR:
        printf("read & write.
");
        break;
    default:    
        printf("unknow access mode.
");
        break;        
    }

    if( flag&O_APPEND )
        printf("flag:APPEND.
");
    
    // 其他属性就不一一写了
    exit(0);
}

运行结果：
:/work/APUE/3_3$./example 0 < /dev/tty
read only.
#说明：先把标准输入重定向为/dev/tty文件（该文件只读），./example 0把标准输入传给测试程序，此时的0相当于/dev/tty，所以显示read only

:/work/APUE/3_3$ ./example 1 > file
:/work/APUE/3_3$ cat file
write only.
#说明： 先把标准输出重定向到文件file，./example 1把标准输出传给测试程序，相当于file，注意由于已经重定位，所以信息会输出到file里。

:/work/APUE/3_3$ ./example 1 >> file
:/work/APUE/3_3$ cat file 
write only.
write only.
flag:APPEND.
#说明：>>追加重定位

:/work/APUE/3_3$ ./example 5 5<>file　　#5<>file意思是在文件描述符5上打开文件， <>是可读可写
read & write.
:/work/APUE/3_3$ ./example 5 5>file　　 #5>file意思是在文件描述符5上打开文件， >是可写
write only.
:/work/APUE/3_3$ ./example 5 5<file 　　#5<file意思是在文件描述符5上打开文件， >是可读
read only.

 14.2  O_SYNC与write

　　write时，只讲数据排入队列，不等到磁盘操作完成；如果在open时，使用O_SYNC,则write会等待磁盘操作完成。

　　

　　上表的设置O_SYNC是通过fcntl（fd,F_SETFL,arg）设置的，在linux里没有效果。

　　1和2,1只有read，没有write，2是read和write，所以2的时间比1长；

　　2和3,3的O_SYNC没有实际生效，所以时间没有明显增大；

　　3和456,4/5/6额外调用sync函数，真正写磁盘，所以时间要长。

　　4、5、6只是fdatasync（数据）和fsync（数据+属性）的区别，时间差别不大。

十五.函数ioctl

　　杂货铺

　　

十六./dev/fd

　　/dev/fd下面的0/1/2对应STDIN/STDOUT/STDERR, 没有别的啥用处。

:/work/APUE/3_2$ ls | cat -　　# -是标准输入
example
example.c
example.o
file.hole
Makefile
:/work/APUE/3_2$ ls | cat /dev/fd/0　　#用/dev/fd/0代替-，都为标准输入，直观一点
example
example.c
example.o
file.hole
Makefile

十七.小结

　　除了熟悉本章介绍的函数原型和使用，还要掌握如下知识：

　　1. 文件共享问题，熟悉内核与文件相关的数据结构，便于理解；

　　2. IO效率：

• 读写文件的buffer区大小不同，对整体效率的影响
• 延迟写与sync的概念