APUE学习笔记——文件IO

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文件描述符

所有打开的文件都通过文件描述符(一个非负整数)引用。

维基百科上对于文件描述符的解释是这样的：

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

当读、写一个文件时，使用open或creat返回的文件描述符标识该文件，将其作为参数传给read或write。

在POSIX.1的应用程序中，文件描述符0与进程的标准输入关联(STDIN_FILENO)、文件描述符1与进程的标准输出关联(STDOUT_FILENO)、文件描述符2与进程的标准错误关联(STDERR_FILENO)，且已经确定化。
文件描述符的变化范围是0~OPEN_MAX-1。

函数open和openat

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#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 */);
/*
 *path ：文件的名称，可以包含（绝对和相对）路径
 *flags：文件打开模式
 *mode：用来规定对该文件的所有者，文件的用户组及系 统中其他用户的访问权限
 */
/* 两函数的返回值： 若成功，返回文件描述符； 若出错，返回-1 */
打开方式 描述
O_RDONLY 只读打开.
O_WRONLY 只写打开.
O_RDWR 读、写打开.
O_EXEC 只执行打开.
O_SEARCH 只搜索打开 (应用于目录).
O_APPEND 每次写时都追加到文件的尾端.
O_CLOEXEC 设置FD_CLOEXEC文件描述符.
O_CREAT 若此文件不存在则创建它.
O_DIRECTORY 如果path引用的不是目录，则出错.
O_EXCL 如果同时指定了O_CREAT，而文件已存在，则出错.
O_NOCTTY 如果path引用的是终端设备，则不将该设备分配作为此进程的控制终端.
O_NOFOLLOW 如果path引用的是一个符号连接，则出错.
O_NONBLOCK 如果path引用的是一个FIFO、一个块特殊文件或一个自负特殊文件，则此选项为文件的本次打开操作和后续的I/O操作设置非阻塞方式.
O_SYNC 使每次write等待物理I/O完成，包括由该write操作引起的文件属性更新所需的I/O.
O_TRUNC 如果此文件存在，而且为只写或读-写成功打开，则将其长度截断为0.
O_TTY_INIT 如果打开一个还未打开的终端设备，设置非标准termios参数值，使其符合Single UNIX Specification.
O_DSYNC 使每次write要等待物理I/O完成，但是如果该写操作并不影响读取刚写入的数据，则不需等待文件属性被更新.
O_RSYNC 使每一个一文件描述符作为参数进行的read操作等待，直至所有对文件同一部份挂起的写操作都完成.

fd参数吧open和openat函数区分开，共有3种可能性。

  1. path参数指定的是绝对路径名，在这种情况下，fd参数被忽略，openat函数就相当于open函数。
  2. path参数指定的是相对路径名，fd参数指出了相对路径名在文件系统中的开始地址。fd参数是通过打开相对路径名所在的目录来获取。
  3. path参数指定了相对路径名，fd参数具有特殊值AT_FDCWD。在这种情况下，路径名在当前工作目录中获取，openat函数在操作上与open函数类似。

函数creat

调用函数creat创建一个新的文件

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#include <fcntl.h>

int creat(const char *path, mode_t mode);
/* 返回值： 若成功，返回为只写打开的文件描述符；如出错，返回-1 */

等效于：

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open(path, O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, mode);

函数close

调用close函数关闭一个打开文件

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#include <unistd.h>
int close(int fd);
/* 返回值：若成功，返回0；如出错，返回-1 */

函数lseek

当前文件偏移量(current file offset)：它通常是一个非负整数，用以度量从文件开始处计算的字节数。

调用lseek显式的为一个打开文件设置偏移量。

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#include <unistd.h>

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
/* 返回值：若辰宫，返回新的文件偏移量；若出错，返回-1 */

对参数offset的解释与参数whence的值有关。

  • 若whence是SEEK_SET，则经该文件的偏移量设置为距文件开始处offset个字节。
  • 若whence是SEEK_CUR，则经该文件的偏移量设置为其当前量增加offset，offset可为正或负。
  • 若whence是SEEK_END，则经该文件的偏移量设置为文件长度加offset，offset可正可负。

函数read

调用read函数从打开文件中读数据。

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#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
/* 返回值：读到的字节数，若已到文件尾，返回0；若出错，返回-1 */

有多种情况可使实际读到的字节数少于要求读的字节数：

  • 读到普通文件时，在读到要求字计数之前已到达了文件微端。
  • 当从终端设备读时，通常一次最多读一行。
  • 当从网络读时，网络中的缓冲机制可能造成返回值小于所要求的字节数。
  • 当从管道或FIFO读时，如若管道包含的字节少于所需的数量，那么read将只返回实际可用的字节数。
  • 当从某些面向记录的设备读时，一次最多返回一个记录。
  • 当一信号造成中断，而已经读到部分数据量时。

函数write

调用write函数向打开文件写数据。

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#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
/* 返回值：若成功，返回已写的字节数；若出错，返回-1 */

函数pread和pwrite

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#include <unistd.h>

ssize_t pread(int fd, void *buf, size_t nbytes. off_t offset);
/* 返回值：读到的字节数，若已到文件尾，返回0；若出错，返回-1 */

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

调用pread相当于调用lseek后调用read，但是pread又与这种顺序调用有下列重要区别。

  • 调用pread时，无法中断其定位和都读操作。
  • 不更新当前文件偏移量。
    调用pwrite相当于调用lseek后调用write，但也与它们有类似的区别。

原子操作(atomic operation)；指的是由多步组成一个一个操作。如果该操作原子地执行，则要么执行所有步骤，要么一步也不执行，不可能只执行所有步骤的一个子集。

函数dup和dup2

复制一个现有的文件描述符

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#include <unistd.h>

int dup(int fd);
int dup2(int fd, int fd2);
/* 两函数的返回值：若成功，返回新的文件描述符；如出错，返回-1 */

函数sync、fsync和fdatasync

内核通常先将数据复制到缓冲区中，然后排入队列，晚些时候写入磁盘。这种方法被称为延迟写(delayed write).

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#include <unitstd.h>

int fsync(int fd);
int fdatasync(int fd);
/* 返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1 */

void sync(void);

sync只是将所有修改过的块缓冲区排入写队列，然后就返回，它并不等待实际写磁盘操作结束。
fsync函数只对由文件描述符fd指定的一个文件起作用，并且等待写磁盘操作结束才返回。
fdatasync函数类似于fsync，但它只影响文件的数据部分。

函数fcntl

改变已经打开文件的属性。

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#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* int arg */);
/* 返回值：若成功，则依赖cmd，若出错，返回-1 */

fcntl函数有以下5种功能。

  1. 复制一个已有的描述符 (cmd=F_DUPFD或F_DUPFD_CLOEXEC)。
  2. 获取/设置文件描述符标志 (cmd=F_GETFD或F_SETFD)。
  3. 获取/设置文件状态标志 (cmd=F_GETFL或F_SETFL)。
  4. 获取/设置异步I/O所有权 (cmd=F_GETOWN或F_SETOWN)。
  5. 获取/设置记录锁 (cmd=F_GETLK或F_SETLKW)。

|cmd|功能
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|——|:—————————————————-|
|F_DUPFD|复制文件描述符fd。|
|F_DUPFD_CLOEXEC|复制文件描述符，设置与新描述符关联的FD_CLOEXEC文件描述符标志的值，返回新文件描述符。|
|F_GETFD|对应于fd的文件描述符标志作为函数值返回。|
|F_SETFD|对于fd设置文件描述符标志。|
|F_GETFL|对应于fd的文件状态标志作为函数值返回。|
|F_SETFL|将文件状态标志设置为第3个参数的值。可以更改的几个标志是：O_APPEND、O_NONBLOCK、O_SYNC、O_DSYNC、O_RSYNC、O_FSYNC、和O_ASYNC。|
|F_GETOWN|获取当前接收SIGIO和SIGURG信号进程ID或进程组ID。|
|F_SETOWN|设置接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID或进程组ID。|

函数ioctl

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#include <unistd.h> /* System V */

#include <sys/ioctl.h>  /* BSD and Linux */

int ioctl(int fd, int request, ...);
/* 返回值：若出错，返回-1；若成功，返回其他值 */

/dev/fd

较新的系统都提供名为/dev/fd的目录，其目录项是名为0、1、2等的文件。打开文件/dev/fdn等效于复制描述符n(假设描述符n是打开的).