培纪的博客

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系统级IO与四个函数

发表于 更新于 分类于
系统级IO与四个函数，本篇文章写于计算机系统基础的学习过程之中，用于记录学习所得。

Unix I/O

文件

在Linux里面，一切皆文件。每一个文件都有一个类型(type)来表明它在系统中的角色：

  • 普通文件(regular file)包含任意数据
  • 目录(direction)相关一组文件的索引
  • 套接字(socket)和另一台机器上的进程通信的类型
  • …

这篇博客主要介绍普通文件:

  • 文本文件：
    文本文件是只包含ASCII或Unicode字符的普通文件，就是一系列的文本行，每行以一个新行字符\n结尾，其数字值是0xa，和ASCII码中的line feed字符(LF)一样。在Windows和网络协议之中是\r\n(0xd 0xa)以结尾。
  • 二进制文件
    二进制文件则是除文本文件外的普通文件，如我们的程序、图片、视频等

打开文件

当我们想要读或写一个文件的时候，我们首先需要告诉系统内核，我们要访问到这个文件。内核（open函数）则会返回一个小的非负整数（描述符），我们后续的操作都得用到这个描述符。
在程序的一开始，已经默认打开了三个文件：

  • 0: standard input(stdin)
  • 1: standard output(stdout)
  • 2: standar error(stderr)
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#include<sys/types.h>
#incldue<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>

int open(char *filename,int flags,mode_t mode);

参数介绍：

  • filename
    要打开或创建的目标文件的名字
  • flags
    打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行或运算，构成falgs。
    • O_RDONLY:  只读打开
    • O_WRONLY:  只写打开
    • O_RDWR:    可读可写
    上面的这三个常量，必须制定一个且只能指定一个
    • O_CREAT:  若文件不存在，则创建它，需要使用mode选项。来指明新文件的访问权限
    • O_APPEND:  追加写，如果文件已经有内容，这次打开文件所写的数据附加到文件的末尾而不覆盖原来的内容
    • O_TRUNC:  如果文件存在，则截断它（删除已有的内容，重新写入）
  • mode
    mode参数描述了新文件的访问权限
    • S_IRUSR：  使用者(拥有者)能够读这个文件
    • S_IWUSR：  使用者(拥有者)能够写这个文件
    • S_IXUSR：  使用者(拥有者)能够执行这个文件
    • S_IRGRP：  拥有者所在组的成员能够读这个文件
    • S_IWGRP：  拥有者所在组的成员能够写这个文件
    • S_IXGRP：  拥有者所在组的成员能够执行这个文件
    • S_IROTH：  其他人(任何人)能够读这个文件
    • S_IWOTH：  其他人(任何人)能够写这个文件
    • S_IXOTH：  其他人(任何人)能够执行这个文件

关闭文件

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#include <unistd.h>

int close(int fd);
  • fd：要关闭的文件的描述符。
  • 返回值：若成功返回0
  • 出错则返回-1

注：当一个进程终止时，内核会自动关闭它所有打开的文件

读取文件

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#include <unistd.h>

ssize_t read (int fd, void *buf, size_t n);

参数：

  • fd：要读取的文件的描述符。
  • buf：读取到的数据要放入的缓冲区。
  • count：要读取的字节数。

返回值：

  • 若成功返回读到的字节数，若已到文件结尾则返回0
  • 若出错则返回-1并设置变量errno的值。

注：这里的size_t是无符号整型，ssize_t是有符号整型。

写入文件

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#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);

参数：

  • fd：文件描述符；
  • buf：指定的缓冲区，即指针，指向一段内存单元；
  • n：要写入文件指定的字节数；

返回值：

  • 写入文档的字节数（成功）；-1（出错）

write函数把buf中的n个字节写入描述符fd所指的文件，成功时返回写的字节数，错误时返回-1.

例子

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#include "csapp.h"

int main(void) 
{
    char c;
    int fd = open("abc.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC);
    while(read(STDIN_FILENO, &c, 1) != 0) 
        write(fd, &c, 1);
    close(fd);
    exit(0);
}

这是一个比较简单的例子，把输入进终端的内容储存到文件abc.txt里面。
下面是运行的结果：

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linux> ./test
test text
^C

abc.txt里面的内容为：

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test text

注：上面还有一个换行符（\n）没显示出来

重定向

在内核里，有三个相关的数据结构用于表示所打开的文件：

  • 描述符表
    每个进程都有自己的描述符表(Descriptor table)，表项是由文件的描述符来索引
  • 文件表
    打开了的文件的集合，所有的进程都共享这一张表。表项包括文件的位置、引用的计数(reference count)(当前指向该表项的描述符数量)。直到这个数字变为了0，系统内核才会将其删除，否则不会。
  • v-node表
    所有的进程共享这张表,且每个表项包含stat结构的大多数信息。


下面看一个代码：

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#include "csapp.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd1, fd2, fd3;
    char c1, c2, c3;
    char *fname = argv[1];
    fd1 = Open(fname, O_RDONLY, 0);
    fd2 = Open(fname, O_RDONLY, 0);
    fd3 = Open(fname, O_RDONLY, 0);
    dup2(fd2, fd3);

    Read(fd1, &c1, 1);
    Read(fd2, &c2, 1);
    Read(fd3, &c3, 1);
    printf("c1 = %c, c2 = %c, c3 = %c\n", c1, c2, c3);

    Close(fd1);
    Close(fd2);
    Close(fd3);
    return 0;
}

读取下面的这个文件abcde.txt：

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abcde

运行结果入下：

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linux> ./ffiles1 abcde.txt
c1 = a, c2 = a, c3 = b

这是因为这里用到了一个dup2函数，改变了fd3描述符指向的文件，这也就是重定向的过程，如下图所示：

再来看一个例子：

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#include "csapp.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd1, fd2, fd3;
    char *fname = argv[1];
    fd1 = Open(fname, O_CREAT|O_TRUNC|O_RDWR, S_IRUSR|S_IWUSR);
    Write(fd1, "pqrs", 4);	

    fd3 = Open(fname, O_APPEND|O_WRONLY, 0);
    Write(fd3, "jklmn", 5);
    fd2 = dup(fd1);  /* Allocates new descriptor */
    Write(fd2, "wxyz", 4);
    Write(fd3, "ef", 2);

    Close(fd1);
    Close(fd2);
    Close(fd3);
    return 0;
}

运行结果入下：

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linux> ./ffiles3 abc.txt

abc.txt文件的内容入下：

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pqrswxyznef

大致过程入下：
首先Write(fd1, "pqrs", 4);把pqrs写入到abc.txt之中；
然后Write(fd3, "jklmn", 5);把jklmn写入到abc.txt之中；
然后在原本fd1的指向之下，Write(fd2, "wxyz", 4);把wxyz写入到pqrs的后面，把jklmn的jklm覆盖了，变成了wxyzn；
最后Write(fd3, "ef", 2);在wxyzn后继续写入ef。
所以abc.txt的内容就是pqrswxyznef。

最后再来看一个例子：

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#include "csapp.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd1;
    int s = getpid() & 0x1;
    char c1, c2;
    char *fname = argv[1];
    fd1 = Open(fname, O_RDONLY, 0);
    Read(fd1, &c1, 1);
    if (fork()) {
	int status;
	wait(&status);
	Read(fd1, &c2, 1);
	printf("Parent: c1 = %c, c2 = %c\n", c1, c2);
    } else {
	/* Child */
	Read(fd1, &c2, 1);
	printf("Child: c1 = %c, c2 = %c\n", c1, c2);
    }
    return 0;
}

读取abcde.txt的结果如下：

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linux> ./ffiles2 abcde.txt
Child: c1 = a, c2 = b
Parent: c1 = a, c2 = c


子进程把父进程的描述符表也复制了一份，但指向的仍然还是同一个文件表项，所以执行Read(fd1, &c2, 1);的结果不一样。

参考资料