第三章：文件I/O

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本章开始讨论UNIX系统的文件I/O函数，包括打开文件、读文件、写文件等。

UNIX系统中的大多数文件I/O只需要用到5个函数：open、read、write、lseek和close。它们每执行一次都会调用内核中的系统调用，也就是常说的不带缓冲的I/O函数。

只要涉及多个进程间共享资源（比如同时读写某个文件），原子操作的概念就变得很重要，我将通过open()函数来讨论此概念。

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一、文件描述符

文件描述符是一个非负整数，每一个使用open()函数打开的文件都会分配一个文件描述符。

在第一章提到的标准输入、标准输出、标准错误分别对应文件描述符0、1、2。

每个操作系统中的文件描述符个数都是一定的，我们可以使用如下shell命令查看最大文件描述符数值：

　　$ ulimit -n

也可使用下面的代码进行查看：

 #include <unistd.h>
 
 sysconf(_SC_OPEN_MAX)

二、文件操作函数

UNIX系统中的大多数文件I/O只需要用到5个函数：open、read、write、lseek和close。我在下面给出它们的函数声明、例子和函数作用：

 /* 文件打开函数 */
 #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 */ );
 
 /* 例子 */
 int fd = open("a.txt", O_RDWD | O_CREAT, );
 if (fd == -)    /* 失败 */
     return -;

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函数参数以及返回值：

path：需要打开文件的路径

oflag：打开文件的权限（比如是否可以读、是否可以写等）

mode：创建文件（O_CREAT）的权限，0666表示用户权限、组权限和其他人权限，我将在下面介绍

返回值：成功返回文件描述符；出错返回-1

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关于oflag的定义一般有以下几类，不同类之间可以如上面例子，使用“|”组合。常用的我会使用加粗字体。

O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR、O_EXEC：只读、只写、既可以读也可以写、只执行

O_APPEND：追加到文件的尾部

O_CREAT：如果没有名为path的文件，就会创建此文件

O_TRUNC：如果此文件存在，而且以只写或读写打开，将其长度截断为0，也就是删除文件内容

在我们使用shell命令ls -al时，会显示文件的权限，如：

drwxr-xr-x  2 lioker lioker  4096 7月   6  2017 Music

drwxr-xr-x其中的d表示目录，d后面的rwx表示用户权限为7（rwx分别用二进制表示，如果有权限为1，没有权限为0）；rwx后面的r-x表示组中没有写权限，为5，其他人权限与组权限相同。

 /* 文件读写函数 */
 #include <unistd.h>
 
 ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
 ssize_t write(int fd, const void* buf, size_t n);
 
 /* 例子 */
 int res;    /* 用来接收读写文件的返回值 */
 int buf[] = {, , };
 int rcv;
 
 res = write(fd, buf,  * );    /* 3为个数，4为字节数 */
 printf("Write Bytes: %d\n", res);
 
 res = read(fd, &rcv, );   /* buf为World World */
 printf("Read Bytes: %d  Content: %d\n", res, rcv);

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函数参数以及返回值：

fd：文件打开函数返回的文件描述符

buf：读/写变量数据

nbytes：需要读的字节数

n：需要写的字节数

返回值：成功返回实际读写的字节数；出错返回-1

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如果读者执行上面两行代码，会发现read函数返回的是写入的值。

这是由于文件有一个与其关联的“文件偏移量”，用于表示当前文件读/写到哪里。这个偏移量我们可以使用lseek函数控制。

还有一点需要读者注意：

对于read和write函数，一定要注意其操作的是内存中的字节数，比如要用read和write去读写int类型变量，则一次性要读写32位，也就是4字节。因此其是二进制还是文本模式取决于对字节的解释。具体请查看上面的例子。

 /* 文件偏移量控制 */
 #include <unistd.h>
 
 off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
 
 /* 例子 */
 lseek(fd, 0, SEEK_SET);

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函数参数以及返回值：

fd：文件打开函数返回的文件描述符

offset：偏移量

whence：偏移量设置方式

返回值：成功返回新的文件偏移量；出错返回-1

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关于whence有以下几类（下面的offset就是lseek()的第二个参数数值）：

SEEK_SET：从文件开始处开始偏移offset

SEEK_CUR：从当前位置处开始偏移offset

SEEK_END：从文件结尾处开始偏移offset

 /* 文件关闭函数 */
 #include <unistd.h>
 
 int close(int fd);
 
 /* 例子 */
 close(fd);

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函数参数以及返回值：

fd：文件打开函数返回的文件描述符

返回值：成功返回0；出错返回-1

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三、文件操作示例

 #include <stdio.h>
 #include <fcntl.h>
 #include <unistd.h>
 #include <string.h>
 
 #define BUFSIZE 4096
 
 int main()
 {
     int fd = open("a.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, );
 
     int res;    /* 用来接收读写文件的返回值 */
 
     char snd = 'A';
     int i;
     char buf[BUFSIZE] = {};
 
 #if 1
     for (i = ; i < BUFSIZE - ; ++i) {
         buf[i] = snd;
     }
 
     res = write(fd, buf, strlen(buf));
     printf("Write Bytes: %d\n", res);
 #else
     for (i = ; i < BUFSIZE; ++i) {
         write(fd, &snd, );
     }
 #endif
 
     lseek(fd, , SEEK_SET);
 
     res = read(fd, buf, BUFSIZE);
     printf("Read Bytes: %d  Content: %s\n", res, buf);
 
     return ;
 }

四、I/O的效率

由于read()和write()是不带缓冲的，因此每一次的调用都会进行一次内核调用，这会对I/O的效率造成很大的影响。

比如把第三节程序的第18行#if 1改为0，然后在命令行编译后使用，可以发现效率有明显的降低：

time ./a.out

一般在使用时，我们会定义一个缓存区用于存储数据，等到数据满了之后，再调用read()和write()。

五、原子操作

原子操作指的是一系列的操作是密不可分的，要么完成全部，要么一个都没完成，是不可能只执行了其中的一部分的。

六、dup()和dup2()

dup()和dup2()用来复制一个现有的文件描述符。函数声明如下：

 /* 复制文件描述符函数 */
 #include <unistd.h>
 
 int dup(int fd);
 int dup2(int fd, int fd2);
 
 /* 例子 */
 int new = dup(fd);
 printf("Dup New Fd: %d\n", new);
 
 int new = dup2(fd, new);
 printf("Dup New Fd: %d\n", new);

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函数参数以及返回值：

fd：文件打开函数返回的文件描述符

fd2：需要fd变换为的文件描述符

返回值：成功返回新的文件描述符；出错返回-1。对于dup()来说，它会返回未使用的最小值；对于dup2()来说，如果fd2已经被占用，则会先关闭fd2，然后返回fd2；当fd1和fd2相等时，直接返回fd2。

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需要注意的是，dup()和dup2()创建的新fd共享传入参数fd的文件标志和文件偏移量。

七、fcntl()

fcntl()可以用来获取或设置文件描述符的属性。函数声明如下：

 /* 文件描述符属性控制函数 */
 #include <fcntl.h>
 
 int fcntl(int fd, int cmd, ...);
 
 /* 例子 */
 int acc = fcntl(fd, F_GETFL, );
 
 int flg = acc & O_ACCMODE;
 if (flg & O_RDONLY)
     printf("O_RDONLY\n");
 else if (flg & O_WRONLY)
     printf("O_WRONLY\n");
 else if (flg & O_RDWR)
     printf("O_RDWR\n");
 else
     printf("NONE\n");

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函数参数以及返回值：

fd：文件打开函数返回的文件描述符

cmd：命令操作

返回值：成功返回对应的值；出错返回-1。

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关于cmd有以下几类：

F_DUPFD：复制一个已有的描述符

F_GETFD、F_SETFD：获取或设置文件描述符标志

F_GETFL、F_SETFL：获取或设置文件状态标志

F_GETLK、F_SETLK、F_SETLKW：获取或设置记录锁，其中F_SETLKW表示若设置记录锁失败，则会等待直至成功

利用fcntl()函数修改文件描述符标志或者文件状态标志时，必须先获取当前的标志状态，然后再追加更新，最后将新的状态标志设置写入回去，如果直接设置会导致旧的标志被复位。

第六节讲解的dup()和dup2()也可以使用fcntl()完成。代码如下：

 /* 相当于dup */
 int newfd;
 newfd = fcntl(fd, F_DUPFD, );
 printf("New Fd: %d\n", newfd);
 
 /* 相当于dup2()，区别需要注意：dup()是原子操作 */
 close(newfd);
 newfd = fcntl(fd, F_DUPFD, newfd);
 printf("New Fd: %d\n", newfd);

八、ioctl

ioctl()函数是一个功能比较混杂的函数。通常用于终端I/O，函数声明如下：

 /* 终端I/O控制函数 */
 #include <sys/ioctl.h>
 
 int ioctl (int fd, unsigned long int request, ...);

九、其他函数

文件创建函数creat()，函数声明如下：

/* 文件创建函数 */
#include <fcntl.h>
 
int creat(const char *pathname, mode_t mode);

此函数有一个致命的缺陷：不是原子操作。因此一般使用open()函数和O_CREAT选项代替。

同步函数sync()、fsync()和fdatasync()，函数声明如下：

 /* 同步函数 */
 #include <unistd.h>
 
 void sync(void);
 int fsync(int fd);
 int fdatasync(int fd); 

UNIX操作系统中有磁盘缓冲功能，当程序向硬盘写入内容时，并不会每次都去写硬盘，而是将待写入的东西缓存buffer中，在稍后将多次缓存的数据一次性写入硬盘，这种方式称为延迟写。通常内核会在缓冲区满了或者需要重用缓冲区时进行刷新写入。因此提供了上面三个函数，其作用如下：

sync()对整个缓冲区作用生效，不等待实际磁盘操作的结束就返回；

fsync()对指定的文件描述符作用生效，它等待磁盘操作结束才返回；

fdatasync()函数和fsync()函数类似，区别是它只刷新文件的数据部分，不刷新文件的属性部分。

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