Linux第八次学习笔记

系统级I/O

• 输入/输出(I/O)是在主存和外部设备之间拷贝数据的过程。
• 输入操作是从I/O设备拷贝数据到主存。
  • I/O→主存
• 输出操作是从主存拷贝数据到I/O设备。
  • 主存→I/O

Unix I/O

• 所有的I/O设备都被模型化为文件。

• 所有的输入和输出都被当作对相应文件的读和写来执行。

• 打开文件

  • 应用程序通过要求内核打开相应的文件，来宣告它想要访问一个I/O设备。
  • 内核返回一个小的非负整数，称为描述符。
  • 内核记录有关这个打开文件的所有信息。
  • 应用程序只需要记住操作符即可。

• 创建每个进程开始时三个打开的文件

  • 标准输入（描述符为0）|STDIN_FILENO
  • 标准输出（描述符为1）|STDOUT_FILENO
  • 标准错误（描述符为2）|STDERR_FILENO

• 改变当前的文件位置

  • 对于打开的文件，内核保存着该文件的位置k，初始值为0
  • k为从文件开头起始的字节偏移量
  • 应用程序通过执行seek操作，显式地设置文件的当前位置为k

• 读写文件

  • 读操作：

    • 从文件拷贝n>0个字节到存储器
    • 从当前文件位置k开始
    • 将k增加到k+n
    • 给定一个大小为m字节的文件，当k≥m时（即当前文件位置已到文件尾），此时执行读操作会触发end-of-file(EOF)条件。
    • 在文件的结尾并未明确的EOF符号

  • 写操作：

    • 从存储器拷贝n>0个字节到一个文件
    • 从当前文件位置k开始
    • 更新k

• 关闭文件

  • 应用完成对文件的访问后，会通知内核关闭该文件。
  • 内核释放文件打开时创建的数据结构，并恢复描述池。
  • 无论一个进程因为何种原因终止，内核都会关闭所有打开的文件并释放它们的存储器资源。

打开和关闭文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

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

• sys/types.h 基本系统数据类型，其中包括核心地址、系统时间、设备号、文件描述集、文件位置等类型。
• sys/stat.h 用于获取一个文件的所有信息，包括文件对应的模式、设备号码、文件所有者、最后被访问的时间、最后被修改的时间等。ls -l命令就用到了该头文件中所包含的类型。
• fcntl.h 文件信息控制类型(file control),定义了很多宏和open.fcntl函数原型。

open函数

• char *filename 参数filename指向欲打开的文件路径字符串。
• int flags 旗标

  • O_RDONLY 以只读方式打开文件

    • define O_RDONLY 00

  • O_WRONLY 以只写方式打开文件

    • define O_WRONLY 01

  • O_RDWR 以可读写方式打开文件。

    • define O_RDWR 02

  • 上述三种旗标是互斥的，也就是不可同时使用，但可与下列的旗标利用OR(|)运算符组合。

  • O_CREAT 若欲打开的文件不存在则自动建立该文件。

    • define O_CREAT 00000100

  • O_TRUNC 若文件存在并且以可写的方式打开时，此旗标会令文件长度清为0，而原来存于该文件的资料也会消失。

    • define O_TRUNC 00001000

  • O_APPEND 当读写文件时会从文件尾开始移动，也就是所写入的数据会以附加的方式加入到文件后面。

    • define O_APPEND 00002000

  • mode_t mode 文件权限标志

      1. S_IRUSR 所有者拥有读权限
      2. S_IWUSR 所有者拥有写权限
      3. S_IXUSR 所有者拥有执行权限
      4. S_IRGRP 群组拥有读权限
      5. S_IWGRP 群组拥有写权限
      6. S_IXGRP 群组拥有执行权限
      7. S_IROTH 其他用户拥有读权限
      8. S_IWOTH 其他用户拥有写权限
      9. S_IXOTH 其他用户拥有执行权限
    

  • 文件权限标志也可以用加权数字表示，这组数字被成为umask变量，它的类型是mode_t,是一个无符号八进制数。

    • umask变量由3位数字组成，数字的每一位代表一类权限，用户所获得的权限是加权数值的总和。
      
      

    • 例如764表示所有者拥有读、写和执行权限，群组拥有读和写权限，其他用户拥有读权限。

    • 0表示没有任何权限。

    • 每个程序都有一个umask的值，并且默认为022。可以通过umask()函数调用设置。

      • umask()会将系统umask值设成参数mask&0777后的值，然后将先前的umask值返回。在使用open()建立新文件时，该参数 mode并非真正建立文件的权限，而是(mode& ~umask)的权限值。
      • 例如，在建立文件时指定文件权限为0666，通常umask值默认为 022，则该文件的真正权限则为0666&～022＝0644

  • 书上例子解析：

      #define DEF_MODE S_IRUSER|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH //拥用者、群组、其他人都拥有读写权限，相当于666
      #define DEF_MASK S_IWGRP|S_IWOTH //用户组、其他人拥有写权限，相当于022
      umask(DEF_UMASK); //将当前的umask值设置成022
      fd = open("foo.txt",O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,DEF_MODE); //DEF_MODE此时的值应该为DEF_MODE &~DEF_UMASK，即666&~022=644，则文件的拥有者有读写权利，所有其他的用户只有读权利。
    

  • 返回值 若成功则为新文件描述符，若出错为-1。返回的描述符总是在进程中当前没有打开的最小描述符。

  • 示例：fd = open("foo.txt",O_WRONLY|O_APPEND,0)

    • 表示打开一个已存在的文件，并在后面添加一些数据。

close函数

#include <unistd.h>

int close(int fd);

• unistd.h 提供了close()函数。
• 返回值：成功返回0，出错返回-1并设置errno
• 参数fd是要关闭的文件描述符。
  • 需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。
• 若省略fd，则将关闭Open语句打开的所有活动文件。

读和写文件

读文件

#include <unist.h>
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);

• fd 文件描述符
• *buf 缓冲区指针，用于保存读出来的数据。
• n 所需要读取的字节数
• 返回值类型为ssize_t 表示有符号的size_t。
  • size_t(size type),表示一种整型类型，包含int、long等。
  • 返回所读取的字节数；0（读到EOF）；-1（出错）。
  • 以下几种情况会导致读取到的字节数小于 n ：
    • A. 读取普通文件时，读到文件末尾还不够 n 字节。例如：如果文件只有 30 字节，而我们想读取 100 字节，那么实际读到的只有 30 字节，read 函数返回 30 。此时再使用 read 函数作用于这个文件会导致 read 返回 0 。
    • B. 从终端设备（terminal device）读取时，一般情况下每次只能读取一行。
    • C. 从网络读取时，网络缓存可能导致读取的字节数小于 n字节。
    • D. 读取 pipe 或者 FIFO 时，pipe 或 FIFO 里的字节数可能小于 n 。
    • E. 从面向记录（record-oriented）的设备读取时，某些面向记录的设备（如磁带）每次最多只能返回一个记录。
    • F. 在读取了部分数据时被信号中断。

写文件

#include <unist.h>
sszize_t write(int fd,const void *buf,size_t n);

• fd 文件描述符
• const void *buf 数据来源buf，const所描述的对象具有不变性，不可更新。
• n 从存储器位置buf拷贝至多n个字节到描述符fd的当前文件位置。
• 返回值 一般等于n，否则就是出错。
  • 常见出错的原因：
    • 磁盘空间满了
    • 超过文件大小限制

书上cpstdin.c代码测试

书上的源代码仅为理论上讲述的程序，说明了一次一个字节地从标准输入拷贝到标准输出的功能，但是并未有明显的表示。所以我将代码修改了，通过两个文件foo.txt与foo1.txt来体现该功能。

• foo.txt文档中存放着123456的文本

• foo1.txt为空文档。

• 代码功能将foo.txt中的文本一次一个地写入foo1.txt文档中。

• 代码如下：

    /* $begin cpstdin */
    #include "csapp.h"
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    int main(void)
    {
       char c = 1;
       int fd1,fd2;
       fd1 = open("foo.txt",O_RDWR);//打开foo.txt，并将文件描述符保存至fd1
       fd2 = open("foo1.txt",O_RDWR);//打开	foo1.txt，并将文件描述符保存至fd2
       while(read(fd1,&c, 1) != 0)//当未读到EOF,则循环进行
       write(fd2, &c, 1);//将一个字符写入foo1.txt中
      exit(0);
    }
  
    /* $end cpstdin */
  

• 运行结果如下：
  
  

用RIO包健壮地读写

• RIO（Robust I/O，健壮地I/O）包：它会自动为你处理不足值。

  • 不足值：read和write传送的字节比应用程序要求地要少。

• RIO提供了两类不同的函数：

  • 无缓冲的输入输出函数。 没有应用级缓冲，它们对将二进制数据读写到网络和从网络读写二进制数据尤其有用。
  • 带缓冲的输入函数。 高效地从文件中读取文件行和二进制数据，这些文件的内容缓存在应用级缓存区内。

RIO的无缓冲的输入输出函数

• 通过调用rio_readn和rio_writen函数，应用程序可以在存储器和文件之间直接传送数据。

    #include "csapp.h"
    ssize_t rio_readn(int fd,void *usrbuf,size_t n);
  

• void *usrbuf 存储器位置

• size_t n 传送的字节数

• 返回值 若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1

• 功能 从描述符fd的当前文件位置最多传送n个字节到存储器位置usrbuf。

    #include "csapp.h"
    ssize_t rio_writen(int fd,viod *usrbuf,size_t n);
  

• void *usrbuf 存储器位置
• size_t n 传送的字节数
• 返回值 若成功则为传送的字节数，若出错则为-1
• 功能 从位置usrbuf传送n个字节道描述符fd。

RIO带缓冲地输入函数

• 一个文本行就是一个由换行符结尾的ASCII码字符序列。

• 在Unix系统中，换行符的数值未0x0a。

    #include "csapp.h"
    void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd);
  

• 每打开一个描述符都会调用一次rio_readinitb，它将描述符fd和地址rp处的一个类型为rio_t的读缓冲区练习起来。

ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);

• rio_t 设置一个地址
• void *usrbuf 缓存区地址
• size_t maxlen 读取的最大长度
• 返回值 若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
• 功能 从一个内部读缓冲区拷贝一个文本行，当缓冲区变空时，会自动地调用read重新填满缓冲区。
• rio_readlineb函数最多读maxlen-1个字节，余下的一个字符留给结尾的空字符。
• 超过maxlen-1字节的文本行被截断，并用一个空字符结束。
  
  
• ssize_t rio_readnb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t n);
• rio_t 设置一个地址
• void *usrbuf 缓存区地址
• size_t maxlen 读取的最大长度
• 返回值 若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
• 功能 对于既包含文本行也包含二进制数据的文本，进行拷贝文本行操作。
• 从文件rp最多读n个字节道存储器位置usrbuf。
  
  

对同一描述符，对rio_readlineb和rio_readnb的调用可以任意交叉进行，但不应该和无缓冲的rio_readn函数交叉使用。

读取文件元数据

• 应用程序能够通过调用stat和fstat函数，检索到关于文件的信息（也称为文件的元数据）。

    #include <unistd.h>
    #include <sys/stat.h>
    int stat(const char *filename,struct stat *buf);
  

• filename 文件名

• struct stat *buf 结构体stat中各个成员，如下：

    struct stat {
  
    mode_t     st_mode;       //文件对应的模式，文件，目录等
  
    ino_t      st_ino;       //inode节点号
  
    dev_t      st_dev;        //设备号码
  
    dev_t      st_rdev;       //特殊设备号码
  
    nlink_t    st_nlink;      //文件的连接数
  
    uid_t      st_uid;        //文件所有者
  
    gid_t      st_gid;        //文件所有者对应的组
  
    off_t      st_size;       //普通文件，对应的文件字节数
  
    time_t     st_atime;      //文件最后被访问的时间
  
    time_t     st_mtime;      //文件内容最后被修改的时间
  
    time_t     st_ctime;      //文件状态改变时间
  
    blksize_t st_blksize;    //文件内容对应的块大小
  
    blkcnt_t   st_blocks;     //伟建内容对应的块数量
  
  };
  
    int fstat(int fd,struct stat *buf);
  

• int fd 文件描述符

• 不同的文件类型

  • 普通文件
  • 目录文件
  • 网络套接字

• 宏指令根据st_mode成员来确定文件的类型

  • S_ISREG() —— 这是一个普通文件吗？
  • S_ISDIR() —— 这是一个目录文件吗？
  • S_ISSOCK() —— 这是一个网络套接字吗？

共享文件

• 内核用三个数据结构来表示打开的文件：

  • 描述符表

    • 每个进程都有它独立的描述符表

  • 文件表

    • 打开文件的集合是由一张文件表来表示的，所有的进程共享这张表。
    • 每个文件表的表项组成：
      • 当前的文件位置
      • 引用计数
      • 指向v-node表中对应表项的指针

  • v-node表

    • 所有的进程共享这张v-node表。

I/O重定向

• 利用dup2函数进行I/O重定向工作

    	#include <unistd.h>
    	int dup2(int oldfd,int newfd);
  

• dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到描述符表表项newfd，覆盖描述符表表项newfd以前的内容。

• 如果newfd已经打开了，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd。

标准I/O

• ANSI C定义了一组高级输入输出函数，成为标准I/O库。

  • 提供了打开和关闭文件的函数(fopen/fclose)
  • 读和写字节的函数(fread/fwrite)
  • 读和写字符串的函数(fgets/fputs)
  • 复杂的格式化的I/O函数(scanf/printf)

• 标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流。

• 每个ANSI C程序开始时都有三个打开的流stdin、stdout和stderr。

• 类型为FILE的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象。

参考资料

1.《Computer.Systems.A.Programmer's.Perspective.2nd.CN》教材

2.《打开文件、新建文件和关闭文件操作》http://book.51cto.com/art/200912/169537.htm

3.《linux下的文件操作函数》http://jingyan.baidu.com/article/6dad5075c33056a123e36ecf.html

4.《linux下的umask()函数》http://www.360doc.com/content/12/0605/16/9305922_216186419.shtml