Unix环境编程-高级IO
一．记录锁
1．记录锁的功能
当一个进程正在读或修改文件的某个部分时，它可以阻止其他进程修改同一文件区。我们不应该从字面上去理解记录锁，实际上它应该叫“区域锁”，因为它锁定的只是文件的一个（也可能是整个文件）。这个区域用来存放多用户的共享区。
2．记录锁的分类
记录锁分为共享读锁和独占写锁，前者也叫做共享锁后者也叫做排他锁。
3．加锁规则
如果一个进程对共享区加了共享读锁，其他进程只能加共享读锁。如果一个进程加了独占写锁，其他进程就不能加任何锁。
4．死锁
如果两个相互等待对方持有并且不释放（已被锁定）的资源是时，则这两个进程就处于死锁状态。如果一个进程已经控制了文件的一个加锁区域，然后它又试图对另一个进程控制的区域加锁，则它就会睡眠，在这种情况下，有发生死锁的可能性。
5．锁的隐含继承和释放
（1）锁与进程和文件两方面有关系，它和前者关系是：当一个进程结束后，他对文件加的锁也就消失了。它和后者的关系是：当进程close文件描述符，切断文件和进程的联系进程所创建的锁也会消失。
（2）由fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁。这意味着，若一个进程得到一把锁，然后调用fork，那么对于父进程创建的锁而言，子进程被视为另一个进程，不会拥有该锁。
（3）在执行exec后，新进程可以继承原执行的锁。因为执行exec前后还是一个进程。我们只是改变进程执行的程序，并没有创建新的进程。
6．要注意的问题
记录锁只是提供竞争进入某段代码区的功能，不会导致对文件操作失败。也就是说，我们对文件进行加锁后，我们还是可以对文件进行操作。
1．
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名称:： |
fcntl |
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功能： |
对文加解锁。 |
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头文件： |
#include <pthread.h> |
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函数原形： |
int fcntl(int filedes,int cmd,…/*struct flock *flockptr */)； |
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参数： |
filedes 文件描述符 cmd 测试锁或加锁 flockptr 指向flock结构的指针 |
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返回值： |
若成功返回0，若失败返回错误编号。 |
对于记录锁，cmd是F_GETLK,F_SETLKW或F_SETLKW.。
F_GETLK判断由flockptr所描述的锁是否会被另外一把锁排斥。如果存在一把锁，他阻止创建由flockptr所描述的锁，则把该现存锁的信息写到flockptr指向的结构中。如果不存在这种情况除了将l_type设置为F_UNLCK之外，flockptr所描述的其他信息都不变。
F_SETLK和F_SETLKW企图建立一把锁。F_SETLK和F_SETLKW的区别是F_SETLKW是F_SETLK的阻塞版本。如果存在其他锁，调用的进程就被阻塞直道捕捉到信号。
第三个参数是一个指向flock结构的指针：
struct flock{
short l_type;
off_t l_start;
shout l_whence;
off_t l_len;
pid_t l_pid;
};
flock结构说明：
所希望的锁类型：F_RDLCK(共享读锁)、F_WRLCK(独占性写锁)、F_UNLCK(解锁一个区域)，这是由 l_type决定的。
要加锁或解锁区域的起始字节偏移量，这是由l_statt和l_whence两者决定。
区域的字节长度，由l_len表示。
具有能阻塞当前进程的锁，其持有的ID存放在l_pid中。
如若l_len为0，则表示锁的区域从其起点（由l_start和l_whence决定）开始直至最大可能位置为止。也就是不管添写到该文件中多少数据，它都处于的范围。
如果想锁住整个文件，通常的方法是将l_start说明为0，l_whence说明为SEEK_SET，1_len说明为0。
还要注意的是，对文件加共享读锁时文件应以只读的方式打开，对文件加独占写锁时文件应以只读的方式打开。
下面是给一个文件加锁和测试锁的程序。
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/*12_1.c加锁程序*/ #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> int main(int argc,char *argv[]) { int fd; struct flock lock; if((fd=open(argv[1],O_WRONLY))<0) perror(argv[1]); lock.l_type=F_WRLCK; /*设置flock结构*/ lock.l_start=0; lock.l_whence=SEEK_SET; lock.l_len=0; if(fcntl(fd,F_SETLK,&lock)<0) /*加锁整个文件*/ { perror(argv[1]); exit(1); } sleep(10); close(fd); exit(0); } |
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/*12_2.c测试锁程序*/ #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> int main(int argc,char *argv[]) { int fd; struct flock lock; char buf[]=” if((fd=open(argv[1],O_WRONLY))<0) perror(argv[1]); lock.l_type=F_WRLCK; /*设置flock结构*/ lock.l_start=0; lock.l_whence=SEEK_SET; lock.l_len=0; if(fcntl(fd,F_SETLK,&lock)<0)/*测试共享资源是否加锁*/ { perror(argv[1]); exit(1); } if(lock.l_type==F_UNLCK) printf(“Is not clocked!\n”); else printf(“Is clocked!\n”); if(write(fd,buf,sizeof(buf))<0) perror(“wrire error”); close(fd); exit(0); } |
先在后台运行加锁程序
#./12_1 12_1.c&
然后在十秒之内运行测试锁的程序
#./12_2 12_1.c
在屏幕上会打印Is clockd!
如果等待10秒12_1.c运行完
再次运行测试锁的程序则会打印Is not clocked!
4．
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名称:： |
pselect |
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功能： |
指行I/O多路转接 |
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头文件： |
#include <sys/select.h> |
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函数原形： |
int pselect(int masfdp1,fd_set *restrict readfds,fd_set *restrict writefds,fd_set excepfds,const struct timespec *restrict tsptr,const sigset_t *restrict sigmask); |
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参数： |
maxfdpl 最大描述符加1 readfds 读描述符集 writefds 写描述符集 excepfds 异常描述符集 tsptr 愿意等待时间 sigmask 信号屏蔽集 |
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返回值： |
若fd在描述符集中则返回非0值，否则返回0（FD_ISSET） |
pselect是select的一个变体，除以下几点外，pselect与select相同：
（1） select的超时值用timeval结构指定，但pselect使用timespec结构指定。timespec以秒和纳秒表示超时值。
（2） pselect的超时值被定义为const，这保证了调用pselect不会改变此值，。
（3） 对于paselect可以使用一可选的信号屏蔽字。若sigmask为空,那么在于信号有关的方面，pselect和select相同。否则，sigmask指向一信号屏蔽字，在调用pselect时，以原子操作的方式安装该信号屏蔽字。在返回时恢复以前的信号屏蔽字。
5．
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名称:： |
poll |
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功能： |
指行I/O多路转接 |
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头文件： |
#include <sys/select.h> |
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函数原形： |
int poll(struct pollfd fdarray[],nfds_t nfds,int timeout); |
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参数： |
fdarray 存放描述符集的数组 nfds fdarray数组元素个数 timeout 超时等待时间 |
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返回值： |
准备就绪的描述符数，若超时则返回0，若出错则返回-1 |
poll类似于select，但是其接口则有所不同。poll不时为每个状态（可读性，可写性和异常状态）构造一个描述符集，而是构造一个pollfd结构的数组，每个数组元素指定一个描述符编号以及其所关心的状态。
struct pollfd{
int fd; 文件描述符
shout events;
shout revents;
};
fdarray数组中的元素由nfds说明。
应将每个数组元素的events成员设置为下表的值。通过这些告诉内核我们对该描述符关系的时什么。返回时，内核设置revents成员，以说明对于该描述符已经发生了什么事件。
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标志名 |
说明 |
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POLLIN POLLRDNORM POLLRDBAND POLLPRI |
不阻塞地可读除高优先级外的数据（等效于POLLRDNORM|POLLRDBAD） 不阻塞地可读普通数据（优先级波段为0） 不阻塞地可读非0优先级波段数据 不阻塞地可读高优先级数据 |
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POLLOUT POLLWRNORM POLLWRBAND |
不阻塞地可写普通数据 与POLLOUT相同 不阻塞地可写非0优先级波段数据 |
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POLLERR POLLHUP POLLNVAL |
已出错 已挂断 描述符不引用一打开文件 |
表头四行测试可读性，接着三行测试可写性，最后三行则是测试异常状态。最后三行是由内核在返回时设置的。即使在events字段中没有指定这三个值，如果相应条件发生，则在revents中也它们。
当一个描述符被挂断后，就不能再写向该描述符。但是仍可能从该描述符读取数据。
poll的最后一个参数说明我们愿意等待多少时间。如同sellect一样，有三种不同情形：
(1) timeout==-1永远等待，当所指定的描述符中的一个已准备好，或捕捉到一个信号时则返回。如果捕捉到一个信号，则poll返回-1，error设置为EINTR.
(2)timeout==0 不等待。测试所有的描述符并立即返回。这是得到多个描述符的状态而不阻塞select函数的轮询方法。
(3)timeout>0 等待timeout毫秒。当指定的描述符之一已准备好，或当指定的时间值已超过时立即返回。如果在超时还没有一个描述符准备好，则返回值是0。
三、读写多个缓冲区
6．
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名称:： |
readv/writev |
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功能： |
散布读/聚集写 |
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头文件： |
#include <sys/uio.h> |
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函数原形： |
ssize_t readv(int filedes,const struct iovec *iov,int iovcnt); ssize_t writev(int filedes,const struct iovec *iov,int iovcnt); |
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参数： |
filedes 文件描述符 iov 指向iovec结构数组的一个指针。 iovcnt 数组元素的个数 |
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返回值： |
若成功则返回已读、写的字节数，若出错则返回-1 |
readv和writev函数用于在一次函数调用中读、写多个非连续缓冲区。有时也将这两个函数成为散布读和聚集写。
这两个函数的第二个参数是指向iovec结构数组的一个指针：
struct iovec{
void *iov_base;
size_t iov_len;
};
writev以顺序iov[0]至iov[iovcnt-1]从缓冲区中聚集输出数据。writev返回输出的字节总数，通常，它应等于所有缓冲区长度之和。
readv则将读入的数据按上述同样顺序散布读到缓冲区中。readv总是先填满一个缓冲区，然后再填写下一个。readv返回读到的总字节数。如果遇到文件结尾，已无数据可读，则返回0。
下面就是读多个缓冲区的例子：
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/*12_4.c*/ #include <sys/uio.h> #include <stdio.h> #include <fcntl.h> int main(int argc,char *argv[]) { ssize_t size; char buf1[9]; char buf2[9]; struct iovec iov[2]; fd1=open(argv[1],O_RDONLY); fd2=open(argv[2],O_RDONLY); fd3=open(argv[3],O_WRONLY); size=read(fd1,buf1,sizeof(buf1)); printf(“%s size is:%d\n”,argv[1],size); size=read(fd2,buf2,sizeof(buf2)); printf(“%s size is:%d\n”,argv[2],size); iov[0].iov_base=buf1; iov[0].iov_len=sizeof(buf1); iov[1].iov_base=buf2; iov[1].iov_len=sizeof(buf2); size=writev(fd3,iov,2)); printf(“%s size is:%d\n”,argv[3],size); close(fd1); close(fd2); close(fd3); } |
先用vi或cat建立三个文件（test1,test2,test3），test写入123456789，test写入abcdefghi. test3为空。
然后运行命令：
#./12_4 test1 test2 test3
在屏幕上会输出：
test1 size is:9
test2 size is:9
test3 size is:18
打开test3，文件内容为123456789abcdefghi.
程序先把test1和test2的内容分别读到缓冲区buf1和buf2中。然后用write把buf1和buf2的内容写至test3.
二．I/O多路转接
如果我们想从多个文件描述符读或写数据，如果我们用以前学过的函数（read,write等）去处理可能会阻塞在一个文件描述符上，不能处理其他的文件描述符。那是因为我们以前学的I/O处理函数，都是阻塞的I/O处理函数，它们的特点是，如果缓冲区里有数据它们就会把数据写到文件中，如果缓存区没有数据他们就会等待（阻塞）直到有数据可读。这就造成了他们无法对多个文件描述符进行操作。而对多个文件描述符进行操作在网络通信方面却是执关重要的。
一种比较好的解决方案就是I/O多路转接技术。它现构造一张有关文件描述符的列表，然后调用一个函数，直到这些描述符中的一个已经准备好进行I/O时，该函数才返回。在返回时，它告诉进程那些描述符已经准备好可以进行I/O。poll,selsct,pselect这三个函数使我们能够执行I/O多路转接，下面就分别介绍它们。
2．
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名称:： |
select |
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功能： |
指行I/O多路转接 |
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头文件： |
#include <sys/select.h> |
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函数原形： |
int select(int maxfdpl,fd_set *restrict readfds,fd_set *restrict writefds,fd_set *testrict exceptfds,struct timeval *testrict tvptr); |
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参数： |
maxfdpl 最大描述符加1 readfds 读描述符集 writefds 写描述符集 excepfds 异常描述符集 tvptr 愿意等待的时间 |
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返回值： |
准备就绪的文件描述符数，若超时则返回0，若出错则返回-1 |
select函数使我们可以执行I/O多路转接。传向select的参数告诉内核：我们所关系的描述符。对于每个描述符我们所关心的状态。以及我们愿意等待的时间。从select返回时，内核告诉我们：以准备好的描述符的数量。对于读、写或异常这三个状态中的每一个，那些描述符已经准备好。
这个函数比较复杂，我们一个一个参数的看。
第一个参数maxfdp1的意思是“最大描述符加
中间的三个参数readfds、writefds和exceptfds是指向描述符集的指针。这三个描述符集说明了我们关心的可读(readfds)、可写(writefd)或处于异常条件(wxcepfds)的各个描述符。每个描述符集存放在一个fd_set数据类型中。这种结构相当于一个描述符的数组，它为每个可能的描述符设置1位。
fd0 fd1 fd2 fd3 fdn
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0 |
0 |
0 |
0 |
… |
readfdsà
fd0 fd1 fd2 fd3 fdn
|
0 |
0 |
0 |
0 |
… |
writefdsà
fd0 fd1 fd2 fd3 fdn
|
0 |
0 |
0 |
0 |
… |
excepfdsà
可用下面4个函数对描述符集进行操作。
select的中间三个参数中的任意一个或全部都可以是空指针，这表示对相应状态不关系。如果所有三个指针都是空指针，则select提供了较sleep更精确的计时器。其等待时间可以小于1秒。
tuptr指定最后等待的时间，它的结构是：
struct timeval{
long tv_sec; 秒
long tv_usec; 微秒
};
有三种情况：
(1) tvptr==NULL:永远等待。如果捕捉到一个信号则中断此无限等待。当所指定的描述符中的一个已经准备好或捕捉到一个信号则返回。如果捕捉到一个信号，则select返回-1，errno设置为EINTR.
(2) tvptr->tv_sec==0&&tvptr_usec==0 完全不等待。测试所有的描述符并立即返回。这是得到多个描述符的状态而不阻塞select函数的轮询方法。
(3）tvptr->tv_sec!=0||tvptr_usec!=0 等待指定的秒数或微秒数。当指定的描述符之一已准备好，或当指定的时间值已超过时立即返回。如果在超时还没有一个描述符准备好，则返回值是0。
3．
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名称:： |
FD_ISSET/FD_CLR/FD_SET/FD_ZERO |
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功能： |
描述符集处理函数 |
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头文件： |
#include <sys/select.h> |
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函数原形： |
int FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset); void FD_CLR(int fd,fd_set *fdset); void FD_SET(int fd,fd_set *fdset); void FD_ZERO(fd_set *fdset); |
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参数： |
fdset 描述符集 fd 描述符 |
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返回值： |
若fd在描述符集中则返回非0值，否则返回0（FD_ISSET） |
调用FD_ZERO将一个指定的fd_set变量的所有位设置为0。调用FD_SET设置一个fd_set变量的指定位。调用FD_CLR将一指定位清除。最后调用FD_ISSET测试一指定位是否设置。声明了一个描述符集后，必须用FD_ZERO清除其所有位，然后在其中设置我们关心的各个位。
下面是select函数实现I/O多路转接的一个例子
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/*12_3.c*/ #include <sys/time.h> #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int main() { int keyboard; int ret=0; char c; fd_set readfd; struct timeval timeout; if((keyboard=open(“/dev/tty”,O_RDONLY|O_NONBLOCK))<0) /*打开标准输入（键盘）的文件描述符*/ exit(1);/如果失败则退出程序*/ while(1) { timeout.tv_sec=3;/*设置等待时间为3秒*/ timeout.usec=0; FD_ZERO(&readfd);/*初始化描述符集*/ FD_SET(keyboard,&readfd);/*把标准输入（键盘）加入到描述符集中*/ ret=select(keyboard+1,&readfd,NULL,NULL,&timeout); if(ret==0)/*如果超时打印下面的语句*/ printf(“Time out!\n”); if(FD_ISSET(keyboard,&readfd))/*如果描述符集readfd的keyboard位被设置*/ { read(keyboard,&c,1);/*从键盘上读如一个字符*/ if(c==’\n’) continue; printf(“You input is %c\n”,c); if(c==’q’) break; } } } |
程序执行后等待用户输入。如果用户输入程序就会把它打印到屏幕上。如果用户在3秒钟未输入任何字符，程序就打印“Time out!”.
本程序实现了一个文件描述符的非阻塞I/O。
四、存储映射I/O
存储映射I/O使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。与此类似，将数据存入缓冲区，则相应字节自动地写入文件。这样就可以在不使用read和write的情况下执行I/O。
6.
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名称:： |
mmap |
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功能： |
把I/O文件映射到一个存储区域中 |
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头文件： |
#include <sys/mman.h> |
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函数原形： |
void *mmap(void *addr,size_t len,int prot,int flag,int filedes,off_t off); |
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参数： |
addr 指向映射存储区的起始地址 len 映射的字节 prot 对映射存储区的保护要求 flag flag标志位 filedes 要被映射文件的描述符 off 要映射字节在文件中的起始偏移量 |
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返回值： |
若成功则返回映射区的起始地址，若出错则返回MAP_FAILED |
addr参数用于指定映射存储区的起始地址。通常将其设置为0，这表示由系统选择该映射区的起始地址。
filedes指要被映射文件的描述符。在映射该文件到一个地址空间之前，先要打开该文件。len是映射的字节数。
off是要映射字节在文件中的起始偏移量。通常将其设置为0。
prot参数说明对映射存储区的保护要求。可将prot参数指定为PROT_NONE,或者是PROT_READ(映射区可读),PROT_WRITE（映射区可写）,PROT_EXEC（映射区可执行）任意组合的按位或，也可以是PROT_NONE(映射区不可访问)。对指定映射存储区的保护要求不能超过文件open模式访问权限。
flag参数影响映射区的多种属性：
MAP_FIXED 返回值必须等于addr.因为这不利于可移植性，所以不鼓励使用此标志。
MAP_SHARED 这一标志说明了本进程对映射区所进行的存储操作的配置。此标志指定存储操作修改映射文件。
MAP_PRIVATE 本标志导致对映射区建立一个该映射文件的一个私有副本。所有后来对该映射区的引用都是引用该副本，而不是原始文件。
要注意的是必须指定MAP_FIXED或MAP_PRIVATE标志其中的一个，指定前者是对存储映射文件本身的一个操作，而后者是对其副本进行操作。
7．
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名称:： |
memcpy |
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功能： |
复制映射存储区 |
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头文件： |
#include <string.h> |
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函数原形： |
void *memcpy(void *dest,const void *src,size_t n); |
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参数： |
dest 待复制的映射存储区 src 复制后的映射存储区 n 待复制的映射存储区的大小 |
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返回值： |
返回dest的首地址 |
memcpy拷贝n个字节从dest到src。
8．
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名称:： |
munmap |
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功能： |
解除存储映射 |
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头文件： |
#include <sys/mman.h> |
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函数原形： |
int munmap(caddr_t addr,size_t len); |
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参数： |
addr 指向映射存储区的起始地址 len 映射的字节 |
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返回值： |
若成功则返回0，若出错则返回-1 |
进程终止时，或调用了munmap之后，存储映射区就被自动解除映射。关闭文件描述符filedes并不解除映射区。
munmap不会影响被映射的对象。
下面就是利用上面的两个函数实现的第二个版本的cp命令。
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/*12_5.c*/ #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <sys/mman.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/types.h> int main(int argc,char *argv[]) { int fdin,fdout; void *arc,dst; struct stat statbuf; if(argc!=3) { printf(“please input two file!\n”); exit(1); } if((fdin=open(argv[1],O_RDONLY))<0) /*打开原文件*/ perror(argv[1]); if((fdout=open(argv[2],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC))<0)/*创建并打开目标文件*/ perror(argv[2]); if(fstat(fdin,&statbuf)<0) /*获得文件大小信息*/ printf(“fstat error”); if(lseek(fdout,statbuf.st_size-1,SEEK_SET)==-1)/*初始化输出映射存储区*/ printf(“lseek error”); if(write(fdout,””1)!=1) printf(“write error”); if((src=mmap(0,statbuf.st_size,PROT_READ,MAP_SHARED,fdin,0))==MAP_FAILED) /*映射原文件到输入的映射存储区*/ printf(“mmap error); if((dst=mmap(0,statbuf.st_size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fdout,0)) ==MAP_FAILED) /*映射目标文件到输出的映射存储区*/ printf(“mmap error); memcpy(dst,src,statbuf.st_size);/*复制映射存储区*/ munmap(src,statbuf.st_size); /*解除输入映射*/ munmap(dst,statbuf.st_size); /*解除输出映射*/ close(fdin); close(fdout); } |
9．
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名称:： |
mprotect |
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功能： |
改变映射存储区的权限 |
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头文件： |
#include <sys/mman.h> |
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函数原形： |
int mprotect(void *addr,size_t len,int prot); |
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参数： |
addr 指向映射存储区的起始地址 len 映射的字节 prot 对映射存储区的保护要求 |
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返回值： |
若成功则返回0，若出错则返回-1 |
mprotect可以更改一个现存映射存储区的权限。
10．
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名称:： |
msync |
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功能： |
同步文件到存储器 |
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头文件： |
#include <sys/mman.h> |
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函数原形： |
int msync(void *addr,size_t len,int flags); |
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参数： |
addr 指向映射存储区的起始地址 len 映射的字节 prot flags |
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返回值： |
若成功则返回0，若出错则返回-1 |
如果在共享映射区中的页已被修改，那么我们可以调用msync将该页冲洗到映射的文件中。flags参数使我们对如何冲洗存储区有某种程度的控制。我们可以指定MS_ASYNC标志以简被写页的调度。如果我们希望在返回之前等待写操作的完成，则可指定MS_SYNC标志。一定要制定MSASYNC或MS_SYNC中的一个。MS_INVALIDATE是一个可选的标志，使用它会通知操作系统丢弃与底层存储器没有同步的任何页。
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