二、I/O模型

1、六个通用I/O函数

（1）fd = open(pathname, flags, mode)：如果pathname的文件不存在，根据flags的参数，可以创建，mode制定新文件的权限，可以为空。返回文件描述符fd，如果打开时发生错误，返回-1，错误号errno标识错误原因。

　　早期创建文件是用creat(pathname, mode)这个函数来实现的，现在它等价于：fd = open(pathname, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode)

（2）numread = read(fd, buffer, count)：从fd指代的文件中每次最多读取count字节的数据，存储到buffer中。返回实际读取到的字节数。

（3）numwrite = write(fd, buffer, count)：从buffer中读取最多count字节的数据，写入到fd指代的文件中。返回实际写入的字节数。

（4）status = close(fd)：释放fd以及与之相关的内核资源。

（5）off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence)：whence参数的值可为SEEK_SET（起点）、SEEK_CUR（当前文件偏移量）、SEEK_END（末尾），offset表示一个数字，加上whence指向实际文件的偏移位置。

（6）#include<sys/ioctl.h>   int ioctl(int fd, int request, .../*argp*/);   多用途I/O操作函数。

　　request参数指定了将在fd上执行的控制操作，许多操作可能会用到后面...的不定参数。

小知识：文件空洞：如果文件偏移量已经跨越了文件结尾，再执行I/O操作。那么从文件结尾到新写入这段空间被称为文件空洞。读取文件空洞将返回以0填充的缓冲区。然而，文件空洞并不占用任何磁盘空间。核心转储文件是包含空洞文件常见的例子。

 

关于六个通用I/O函数的原型：

　#include <sys/stat.h>

　#include <fcntl.h>

　（1）int open(const char *pathname, int flags, .../*mode_t mode*/);

　　　  int creat(const char *pathname, mode_t mode);

　#include <unistd.h>

　（2）ssize_t read(int fd, void *buffer, size_t count);

　（3）ssize_t write(int fd, void *buffer, size_t count);

　（4）int close(int fd);

　（5）off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

　#include<sys/ioctl.h> 

　（6）int ioctl(int fd, int request, .../*argp*/);   

 

2、原子操作和竞争条件

竞争状态：操作共享资源的两个进程或线程，其结果将是一个无法预期的顺序。

原子操作：在多进程（线程）访问共享资源时，能够确保所有其他的进程（线程）都不在同一时间内访问相同的资源）访问共享资源时，能够确保所有其他的进程（线程）都不在同一时间内访问相同的资源。

　　例子一：以独占方式创建文件：使用open()时，若同时指定O_EXCEL与O_CREAT时，若要打开的文件已经存在，就会返回一个错误。这里保证进程是打卡文件的创建者。

　　例子二：多个进程或线程同时往一个文件后面添加数据。必须保证原子操作，否则可能导致脏数据。

 

3、获取、修改文件的状态标志

#include<fcntl.h>　　int fcntl(int fd, int cmd, ...);

（1）获取文件的状态标志：

　　flags = fcntl(fd, F_GETFL);

　　if (flags == -1)

　　　　errExit("fcntl");

　　测试文件是否以同步写方式打开：

　　if (flags & O_SYNC)

　　　　print("writes are synchronized\n");

（2）判断文件的访问模式：

　　accessMode = flags & O_ACCMODE;

　　if (accessMode == O_WRONLY || accessMode == O_RDWR)

　　　　print("file is writable\n");

（3）修改文件的状态标志，仅能修改O_APPEND、O_NONBLOCK、O_NOATIME、O_ASYNC和O_DIRECT，系统被会忽略对其它标志的修改操作：

　　●文件不是调用程序打开的

　　●文件描述符是通过open()之外的系统调用获取的。比如pipe()（创建一个管道，并返回两个fd分别对应管道的两端）、socket()（创建一个套接字并返回指向该套接字的fd）

　　修改方法：

　　int flags;

　　flags = fcntl(fd, F_GETFL);

　　if (flags == -1)

　　　　errExit("fcntl");

　　flags |= O_APPEND;

 　　if (fcntl(fd, SETFL, flags) == -1)

 　　　　errExit("fcntl");

 

 4、文件描述符和打开文件之间的关系:

（1）文件描述符表

●文件描述符标志：只有O_CLOEXEC（即close-on-exec标志）。

●文件指针：对打开文件句柄的引用。

（2）打开文件表

内核对所有打开文件维护了一个系统级的描述表格，存储了与一个打开文件相关的全部信息。

●文件偏移量：当前文件偏移，可在调用write()、read()、lseek()时进行更新。

●文件状态标志：O_NONBLOCK、O_ASYNC等，open()的flags参数。

●文件的访问模式：open()时所设置的只读、只写、读写模式。

●与信号驱动I/O相关的设置。

●对该文件i-node对象的引用。

（3）i-node表

●文件类型（常规文件、套接字、FIFO）和访问权限。

●一个指针，指向该文件所持有的锁的列表。

●文件的各种属性，包括文件大小以及与不同类型操作相关的时间戳。

 

5、复制文件描述符

#include <unistd.h>

（1）int dup(int oldfd);

假定正常情况下shell已经代表程序打开了0，1，2，那么在调用newfd=dup(1)的时候就会创建文件描述符1的副本，返回文件描述符的编号为3。

这个时候如果想让他返回文件描述符2，那么可以这样做：

close(2);

newfd = dup(1);

如果需要简化上述代码，可简化为dup2(1, 2);。

（2）int dup2(int oldfd, int newfd);

它会为oldfd参数所指定的文件描述符创建副本，其编号由newfd指定。如果newfd参数所指定的文件描述符之前已经打开，那么dup2()会首先将其关闭（dup2会忽略在newfd关闭期间的任何错误，所以更安全的做法依然是显式的close()将其关闭）。

如果oldfd并非有效的文件描述符，那么dup2()调用失败，返回错误EBADF，且不关闭newfd如果oldfd与newfd值相等，那么dup2()什么也不做，直接将其作为结果返回。

（3）newfd = fcntl(oldfd, F_DUPFD, startfd);

为oldfd创建一个副本，并且将使用大于等于startfd的最小未用值作为文件描述符编号。

总是能将dup()和dup2()改写为对close()和fcntl()的调用，虽然前者更简洁。

（4）int dup3(int oldfd, int newfd, int flags);

这里的flags只支持一个标志O_CLOEXEC，这将促使内核为新文件描述符设置close-on-exec标志（FD_CLOEXEC）。

 

6、在文件特定偏移处操作的I/O：pread()和pwrite()

#include <unistd.h>

ssize_t pread(int fd, void *buf, size_t count, off_t offset);

ssize_t pwrite(int fd, const void *buf, size_t count, off_t offset);

pread()调用相当于将下列操作纳入原子操作：
off_t orig;

orig = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);

lseek(fd, offset, SEEK_SET);

s = read(fd, buf, len);

lseek(fd, orig, SEEK_SET);

这里要求fd所指代的文件必须是可定位的，允许执行lseek调用。多线程应用为这些系统调用提供了用武之地，多个线程可同时对同一文件进行I/O操作，互相不会因为修改文件偏移量而受到影响。

 

7、分散输入和集中输出I/O：readv()和writev()

#include <sys/uio.h>

ssize_t readv(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt);

ssize_t writev(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt);

这些系统调用并不是对单个文件缓冲区进行读写操作，而是一次传输多个缓冲区的数据。iov定义了缓冲区：

struct iovec{

　　void *iov_base;　　//缓冲区的开始地址

　　size_t iov_len;　　 //写进缓冲区或者从缓冲区读出的字节数大小

};

以下调用都实现了原子操作：

（1）readv()实现分散输入的功能，从文件描述符fd所指代的文件中读取一片连续的字节，然后将其分散放置在iov指定的缓冲区中。这个动作从iov[0]开始，依次填满每个缓冲区。

（2）writev()实现了集中输出，将iov所指代的所有缓冲区的数据拼接（“集中”）起来，然后以连续的字节序列写入文件描述符fd所指代的文件中。这个动作从iov[0]所指定的缓冲区开始，按照数组顺序展开。

（3）现代BSD进一步提供了以下两个调用：

#include <sys/uio.h>

ssize_t preadv(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt, off_t offset);

ssize_t pwritev(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt, off_t offset);

既能使用分散/集中I/O，又不受制于当前文件偏移量。

 

8、截断文件：truncate()和ftruncate()系统调用

#include <unistd.h>

int truncate(const char *pathname, off_t length);

int ftruncate(int fd, off_t length);

若当前文件长度大于参数length，调用将丢弃超出部分，若小于参数length，调用将在文件尾部添加一系列空字节或是一个文件空洞。

 

9、非阻塞I/O

在打开文件时指定O_NONBLOCK标志：

●若open()调用未能立即打开文件，则返回错误，而非陷入阻塞。有一种情况例外，调用open()操作FIFO可能会陷入阻塞。

●调用open()成功后，后续的I/O操作也是非阻塞的，若I/O调用未能立即完成，则可能只会传输部分数据，或者系统调用失败，返回EAGAIN或EWOULDBLOCK错误。

因为无法通过open()来获取管道和套接字的文件描述符，所以要启用非阻塞标志，就必须使用fcntl()调用。

 

10、大文件I/O

文件偏移off_t为一个有符号整型（负数-1代表错误），这样在32位系统下面最大支持的文件大小只有2^31-1（2GB），对于大文件的支持(LFS)，有了如下两种办法：

（1）使用大文件操作的API：fopen64(),open64(),lseek64(),trancate64(),stat64(),mmap64(),setrlimit64()。增加的新数据类型：struct stat64,off64_t。但是这些用法现在已经过时。

（2）在编译程序时，将宏FILE_OFFSET_BITS的值定义为64。这个方法更可取，因为这使得无需修改源码即可获得LFS的功能。

 使用方法：

（a）编译的时候，cc -D_FILE_OFFSET_BITS=64 prog.c

（b）在源文件头文件前加入：#define _FILE_OFFSET_BITS 64

另外，这时off_t要在printf中打印出来的话，就需要long long类型（%lld）进行传递了。

 

11、创建临时文件的函数

（1）#include <stalib.h>

int ktemp(char *template);

模板参数采用路径名的形式，其中最后6个字符必须为XXXXXX。这6个字符将被替换，以保证文件名的唯一性。

文件拥有者必须对所建立的文件拥有读写权限，其它用户则没有任何操作权限。

打开文件时使用了O_EXCL标志，以保证调用者以独占方式访问文件。

通常打开临时文件不久后，就会调用ulink()系统调用将其删除。

#include <stdio.h>

FILE *tmpfile(void);

tmpfile函数执行成功后返回一个文件流供stdio库函数使用。文件流关闭后自动删除临时文件。