《嵌入式linux应用程序开发标准教程》笔记——6.文件IO编程

　　前段时间看APUE，确实比较详细，不过过于详细了，当成工具书倒是比较合适，还是读一读这种培训机构的书籍，进度会比较快，遇到问题时再回去翻翻APUE，这样的效率可能更高一些。

　　《嵌入式linux应用程序开发标准教程》的前几章没必要看了，都是写浅显的知识点，从第六章文件IO编程开始记录笔记。后期再根据APUE的内容进行补充和扩展。

　一、linux系统调用及API

　　1. 系统调用

　　linux分为内核空间和用户空间，用户空间无法直接访问内核空间。内核通过系统调用为用户提供服务，很精简，大约250个左右。大致可分为：进程控制、进程间通信、文件系统控制、系统控制、存储管理、网络管理、socket控制、用户管理等几类。

　　2. C库API

　　C库提供若干API，遵循一定的标准，供用户使用。

　　用户可以直接调用系统调用，也可以调用C库提供的API。

　二、linux中文件及文件描述符概述

　　linux主要有4中文件：普通文件、目录文件、链接文件、设备文件。

　　linux使用文件描述符操作文件，尤其对于用户态来说更是如此，文件描述符是一个非负的整数，是个索引值，linux打开文件时动态分配，分配时，优先分配未使用的最小描述符。打开文件时，内核返回给进程1个文件描述符，读写时进程用此描述符操作文件。　

　　进程打开时，默认会打开三个文件描述符，三个文件默认均指向终端：

　　STDIN_FILENO: 0，标准输入

　　STDOUT_FILENO: 1，标准输出

　　STDERR_FILENO: 2，标准错误

　三、底层文件IO操作

　 3.1 基本文件操作

3.1.1 函数说明

　　5个基本函数，不带缓冲，不属于ANSI C，属于POSIX标准。

　　open、read、write、lseek、close, 见APUE相关笔记。

　 3.2 文件锁

　 3.2.1 共享问题

　　如上图，进程信息中包含“打开文件的当前文件偏移量”，由进程各自维护。若进程1打开了文件并定位到文件尾部——>切换到进程2，进程2定位到文件尾部并写了100个字节——>在回到进程1，写了10个字节——>则结果是该文件的最后100个字节中，前10个是进程1写的，并覆盖了原来进程2写的前10个字节，而后90个是进程2写的。

　　事与愿违，故有的场合期望对文件操作时独占的，所以引入的记录锁。

　　只要多个进程操作同一个文件，就应该上锁。

　　3.2.2 fcntl()

需要头文件	#include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <fcnt1.h> #include <sys/select.h>
原型	int fcnt1(int filedes, int cmd,.../* struct flock * flockptr * / ) ;
描述	除了记录锁以外，还有好多其他的功能
形参	filedes	文件描述符
	cmd	记录锁相关的 F_GETLK:根据第三个参数的情况，测试是否可以上锁，要上的锁由flockptr描述.决定由f l o c k p t r所描述的锁是否被另外一把锁所排斥（阻塞）。如果存在一把锁，它阻止创建由 f l o c k p t r所描述的锁，则这把现存的锁的信息写到 f l o c k p t r指向的结构中。如果不存在这种情况，则除了将 l _ t y p e设置为F _ U N L C K之外， f l o c k p t r所指向结构中的其他信息保持不变。若该文件可以上锁(当前未上锁),则flockptr->l_type为F_UNLK, flockptr的其他项不变; 若不能上锁，则将该文件已经上锁的信息通过flockptr返回。此时不返回错误。若flockptr->l_type为F_UNLCK（要上的锁，不能使这个），则返回错误。 F_SETLK:根据flockptr设置锁。如果试图建立一把按上述兼容性规则并不允许的锁，则f c n t l立即出错返回，此时e r r n o设置为E A C C E S或E A G A I N F_SETLKW: F_SETLK的阻塞版.
	flockptr	l_type: F_RDLCK:读取锁，共享锁，加读锁时，文件必须包含读打开 F_WRLCK：写入锁，排斥锁，加写锁时，文件必须包含写打开 F_UNCLK：解锁写入锁是互斥锁，读取锁是共享锁。如果在一个给定字节上已经有一把或多把读锁，则不能在该字节上再加写锁；如果在一个字节上已经有一把独占性的写锁，则不能再对它加任何读锁 l_start和l_whence:其实保护位置（文件偏移）和相对位置（SEEK_CUR/SET/END）。与，lseek相同。 len想保护的长度，若len=0，则表示从l_start和l_whence决定的位置开始，到文件结尾的最大长度。若想保护整个文件，则可以l_start = 0，l_whence=SEEK_SET, len=0。保护区域可以超过尾部，但不能在起始位置之前。
返回值	若成功则依赖于c m d，若出错则为- 1时
注意事项	用F_GETLK测试，再用F_ SETLK或F_ SETLKW上锁不是原子操作，可能会有问题！应该用F_ SETLK直接上，并查询结果，确定是否上锁成功。

【注意】：

！记录锁继承性等问题

进程、文件关闭与锁的关系 由于锁是在进程信息里存放的，故关闭进程或者关闭文件，该文件的锁有自动关闭。
由fork产生的子进程不继承父进程的锁。
执行exec后，新进程可以继承原来的锁。默认继承

死锁举例

如图，进程1锁文件1，进程2锁文件2。若进程1想锁文件2，且选择了阻塞方式，则进程1会处于阻塞状态，同理进程2也是。这样就构成了死锁。　

　　使用方法：

　　　使用F_GETLK后再F_SETLK，不是原子操作，可能会出问题。可以直接用F_SETLK，然后判断返回值。

　　3.2.3 例程

/* 6-2,fcntl test */

#include <stdio.h>    // printf
#include <stdlib.h>    // exit
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>    // open,fcntl


void lock_set(int fd, short lock_type)
{
    struct     flock st_lock;

    st_lock.l_type = lock_type;
    st_lock.l_whence = SEEK_SET;
    st_lock.l_start = 0;
    st_lock.l_len = 0;
    st_lock.l_pid = -1;
    if( fcntl(fd,F_GETLK,&st_lock) < 0 )        // 判断st_lock类型的锁能否上，测试类型，用F_GETLK然后再F_SETLCK,不是原子原子操作，会有问题，例程这么设计，主要是为了方便理解读写锁的互斥性
        printf("
fcntl GETLK err.");
    // 如果能上，则l_type返回F_UNLCK，st_lock的其他域不变
    // 如果不能上，则l_type返回目前的上锁状态，同时l_pid返回对该文件上锁的进程pid
    if( st_lock.l_type !=  F_UNLCK )        
    {
        if( st_lock.l_type == F_RDLCK )
            printf("
Read lock is already locked by pid %d",st_lock.l_pid );
        if( st_lock.l_type == F_WRLCK )
            printf("
Write lock is already locked by pid %d",st_lock.l_pid );
    }

    printf("
st_lock.l_type:%d",st_lock.l_type);    
    printf("
st_lock.l_whence:%d",st_lock.l_whence);    
    printf("
st_lock.l_start:%d",st_lock.l_start);    
    printf("
st_lock.l_len:%d",st_lock.l_len);    
    printf("
st_lock.l_pid:%d",st_lock.l_pid);    

    
    st_lock.l_type = lock_type;
    if( fcntl(fd,F_SETLKW,&st_lock) < 0 )        
        printf("
fcntl SETLK err.");    
    switch( st_lock.l_type )
    {
    case F_RDLCK:
        printf("
Read lock is set by pid %d",getpid() );
        break;
    case F_WRLCK:
        printf("
Write lock is set by pid %d",getpid() );
        break;
    case F_UNLCK:
        printf("
Un lock is set by pid %d",getpid() );
        break;
    defualt:
        break;
    }
}


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

    // open file
    fd=open("hello",O_RDWR|O_CREAT,0644);
    if( fd<0 )    
        printf("
open file err");
    
    //lock_set(fd,F_RDLCK);        // 读锁
    lock_set(fd,F_WRLCK);        // 写锁
    getchar();            // 等待终端输入
    lock_set(fd,F_UNLCK);
    printf("
FINISH
");
    exit(0);
}

终端窗口运行加读锁：
st_lock.l_type:2　　　　　　　　　　//  可上读锁，所以F_GETLCK返回F_UNLCK,其他域不变
st_lock.l_whence:0
st_lock.l_start:0
st_lock.l_len:0
st_lock.l_pid:-1
Read lock is set by pid 7377

fcntl GETLK err.　　　　　　　　　　// F_GETLCK+F_UNLCK会返回错误
st_lock.l_type:2
st_lock.l_whence:0
st_lock.l_start:0
st_lock.l_len:0
st_lock.l_pid:-1
Un lock is set by pid 7377
FINISH

另一个终端窗口运行加读锁：

　　st_lock.l_type:2　　　　　　　　　　　　// 读锁是共享锁，可以随便加，不受影响
　　st_lock.l_whence:0
　　st_lock.l_start:0
　　st_lock.l_len:0
　　st_lock.l_pid:-1
　　Read lock is set by pid 7426　　　　　

　　fcntl GETLK err.
　　st_lock.l_type:2
　　st_lock.l_whence:0
　　st_lock.l_start:0
　　st_lock.l_len:0
　　st_lock.l_pid:-1
　　Un lock is set by pid 7426
　　FINISH

// 终端1先运行

st_lock.l_type:2
st_lock.l_whence:0
st_lock.l_start:0
st_lock.l_len:0
Write lock is set by pid 7517

fcntl GETLK err.
st_lock.l_type:2
st_lock.l_whence:0
st_lock.l_start:0
st_lock.l_len:0
st_lock.l_pid:-1
Un lock is set by pid 7517
FINISH

// 终端2后运行

Write lock is already locked by pid 7517　　　// 写锁互斥，释放后才能加锁
st_lock.l_type:1
st_lock.l_whence:0
st_lock.l_start:0
st_lock.l_len:0
Write lock is set by pid 7518　　　　　　　　　　// 阻塞加锁，所以终端1释放后，马上加上了

fcntl GETLK err.
st_lock.l_type:2
st_lock.l_whence:0
st_lock.l_start:0
st_lock.l_len:0
st_lock.l_pid:-1
Un lock is set by pid 7518
FINISH

3.3 多路复用

3.3.1 IO模型

阻塞IO,若IO没有完成相关功能，则进程挂起，直到相关数据到达后才返回。管道、终端、网络设备的读写经常出现这种情况。
非阻塞IO，IO操作不能完成，理解返回，该进程不睡眠
多路转换，轮训各IO，超时等待，select和poll就属于此类
信号驱动IO，signal

3.3.2 函数说明

需要头文件	#include <sys/types.h> #include <sys/time.h> #include <unistd.h>
原型	int select(int numfds, fd_set readfds, fd_set writefds，fd_set exeptfds, struct timeval timeout)
描述	监测多个文件，这就是多路IO的由来
形参	numfds	该参数值为需要监视的文件描述符的最大值加 1
	readfds	由 select()监视的读文件描述符集合
	writefds	由 select()监视的写文件描述符集合
	exeptfds	由 select()监视的异常处理文件描述符集合
	timeout	NULL：永远等待，直到捕捉到信号或文件描述符已准备好为止具体值：struct timeval 类型的指针，若等待了 timeout 时间还没有检测到任何文件描符准备好，就立即返回 struct timeval { long tv_sec; /* 秒 / long tv_unsec; / 微秒 */ }
返回值	大于 0：成功，返回准备好的文件描述符的数目 0：超时；-1：出错
注意事项	监视的文件发生变化，就会返回>0的数注意：select会改变要监视的文件描述符集，如果需要连续监测，需要注意重新初始化该集合

select函数期望对文件描述符分类处理，处理的对象是描述符的集合，需要使用相关宏定义

FD_ZERO(fd_set *set) 清除一个文件描述符集
FD_SET(int fd, fd_set *set) 将一个文件描述符加入文件描述符集中
FD_CLR(int fd, fd_set *set) 将一个文件描述符从文件描述符集中清除
FD_ISSET(int fd, fd_set*set)如果文件描述符 fd 为 fd_set 集中的一个元素，则返回非零值，可以用于调用 select()之后测试文件描述符集中的文件描述符是否有变化#include <sys/types.h>

#include <poll.h>

int poll( struct pollfd * fds, int numfds, int timerout );
参数：
　　fds：描述需要对哪些文件的哪种类型操作进行监控。
　　　　  struct pollfd
　　　　  {
　　　　　　　　int fd;　　　　　　// 需要监听的文件描述符　　
　　　　　　　　short events;　　 // 需要监听的事件
　　　　　　　　short revents;　　// 监听到的事件/已发生的事件
　　　　　}
　　　　　events可由若干定义好的宏定义描述：

　　　　　　　　/* Event types that can be polled for. These bits may be set in `events'
　　　　　　　　　　to indicate the interesting event types; they will appear in `revents'
　　　　　　　　　　to indicate the status of the file descriptor. */
　　　　　　　　#define POLLIN 0x001 /* There is data to read. */　　　　　　　　文件中有数据可读
　　　　　　　　#define POLLPRI 0x002 /* There is urgent data to read. */　　　文件中有紧急数据可读
　　　　　　　　#define POLLOUT 0x004 /* Writing now will not block. */　　　　可以向文件中写入数据

　　　　　　　　#ifdef __USE_GNU
　　　　　　　　/* These are extensions for Linux. */
　　　　　　　　# define POLLMSG 0x400
　　　　　　　　# define POLLREMOVE 0x1000
　　　　　　　　# define POLLRDHUP 0x2000
　　　　　　　　#endif

　　　　　　　　/* Event types always implicitly polled for. These bits need not be set in
　　　　　　　　　　`events', but they will appear in `revents' to indicate the status of
　　　　　　　　　　the file descriptor. */
　　　　　　　　#define POLLERR 0x008 /* Error condition. */　　　　　　　　　　　文件中出现错误
　　　　　　　　#define POLLHUP 0x010 /* Hung up. */　　　　　　　　　　　　　　　　与文件的链接被断开
　　　　　　　　#define POLLNVAL 0x020 /* Invalid polling request. */　　　　　　文件描述符非法　　

　　numfds：需要监听的文件个数，即第一个参数fds的个数
　　timeout:超时时间，ms。如果<0，表示无限等待

返回值：
　　成功：大于0，表示事件发生的pollfd个数
　　0：超时
　　-1:出错

注意事项：
　　其实select在系统内部，也是由poll实现的，poll貌似更简单易用一些。

3.3.3 例程

用两个终端创建两个FIFO，第三个终端运行程序，监测两个FIFO的输入。

select：

/* 6-3,select */

#include <stdio.h>    // printf
#include <stdlib.h>    // exit
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>    // open,fcntl
#include <sys/time.h>    // struct timeval
#include <sys/select.h>
#include <sys/param.h>    // MAX()

#define BUFF_SIZE    1024

int main(int args, char *argv[])
{
    int fd_max,fd_in1,fd_in2,fd_read;
    fd_set readfds;
    struct timeval timeout;
    char buf[BUFF_SIZE];
    int  read_len;

    // open in1&in2
    if( (fd_in1=open("in1",O_RDWR|O_NONBLOCK)) < 0 )
        printf("
 open in1 err");    
    if( (fd_in2=open("in2",O_RDWR|O_NONBLOCK)) < 0 )
        printf("
 open in1 err");

    printf("
in1 %d,in2 %d, STDIN_FILENO %d",fd_in1,fd_in2,STDIN_FILENO);
    fflush(stdout);        // 把流flush，printf才能及时打印
    // select 
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(fd_in1,&readfds);
    FD_SET(fd_in2,&readfds);
    FD_SET(STDIN_FILENO,&readfds);
    fd_max = MAX(MAX(fd_in1,fd_in2),STDIN_FILENO);
    timeout.tv_sec = 60;
    timeout.tv_usec = 0;
    while( select(fd_max+1, &readfds,NULL,NULL,&timeout) > 0 )
    {
        if( FD_ISSET(fd_in1, &readfds) )
            fd_read = fd_in1;
        if( FD_ISSET(fd_in2, &readfds) )
            fd_read = fd_in2;    
        if( FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds) )    
            fd_read = STDIN_FILENO;    

        read_len = read(fd_read,buf,BUFF_SIZE);
        if( read_len < 0 )
            printf("
read %d err",fd_read);
        else
        {
            printf("
rcv something from %d",fd_read);
            if( fd_read == STDIN_FILENO )
            {
                if(buf[0] == 'q')
                {
                    printf("
quit by user.");
                    break;
                }
            }
            else
            {
                buf[read_len] = '';
                printf( "
Rcv data from %d:%s",fd_read,buf )    ;
            }
        }
        // 因为select会改变readfds的值，所以想连续监测，要及时重新设置要监视的fd
        FD_ZERO(&readfds);        
        FD_SET(fd_in1,&readfds);
        FD_SET(fd_in2,&readfds);
        FD_SET(STDIN_FILENO,&readfds);
        fd_max = MAX(MAX(fd_in1,fd_in2),STDIN_FILENO);
    }
        
    printf("
 job done");
    exit(0);
}

终端1：
mknod in1 p
cat > in1
1111
2222
3333

终端2：
mknod in2 p
cat > in2
4444
5555
6666

终端3运行上述程序，会显示终端1/2的输入，'q'则退出

poll实现相同的功能，执行效果与select差不多。

/* 6-4,poll */
#include <stdio.h>    // printf
#include <stdlib.h>    // exit
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>    // open,fcntl
#include <sys/time.h>    // struct timeval
#include <sys/select.h>
#include <sys/param.h>    // MAX()
#include <poll.h>

#define BUFF_SIZE    1024

int main(int args, char *argv[])
{
    int fd_in1,fd_in2,fd_read;
    struct pollfd st_pollfd[3];
    char buf[BUFF_SIZE];
    int  read_len;
    char i;

    // open in1&in2
    if( (fd_in1=open("in1",O_RDWR|O_NONBLOCK)) < 0 )
        printf("
 open in1 err");    
    if( (fd_in2=open("in2",O_RDWR|O_NONBLOCK)) < 0 )
        printf("
 open in1 err");

    printf("
in1 %d,in2 %d, STDIN_FILENO %d",fd_in1,fd_in2,STDIN_FILENO);
    fflush(stdout);        // 把流flush，printf才能及时打印
    // poll 
    st_pollfd[0].fd = fd_in1;
    st_pollfd[0].events = POLLIN;
    st_pollfd[1].fd = fd_in2;
    st_pollfd[1].events = POLLIN;
    st_pollfd[2].fd = STDIN_FILENO;
    st_pollfd[2].events = POLLIN;

    while( poll (&st_pollfd, 3, 60*1000) > 0 )
    {
        if( st_pollfd[0].revents&POLLIN == POLLIN )
            fd_read = fd_in1;
        if( FD_ISSET(fd_in2, &readfds) )
            fd_read = fd_in2;    
        if( FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds) )    
            fd_read = STDIN_FILENO;    

        for(i=0;i<3;i++)
        {
            if( st_pollfd[i].revents&POLLIN == POLLIN )
            {
                read_len = read(st_pollfd[i].fd,buf,BUFF_SIZE);
                if( read_len < 0 )
                    printf("
read %d err",st_pollfd[i].fd);
                else
                {
                    printf("
rcv something from %d",st_pollfd[i].fd);
                    if( st_pollfd[i].fd == STDIN_FILENO )
                    {
                        if(buf[0] == 'q')
                        {
                            printf("
quit by user.");
                            break;
                        }
                    }
                    else
                    {
                        buf[read_len] = '';
                        printf( "
Rcv data from %d:%s",st_pollfd[i].fd,buf )    ;
                    }
                }                
            }
                            
        }
    }
        
    printf("
 job done");
    exit(0);
}

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