系统级I/O

10.1 Unix I/O

（1）一个Unix文件就是一个m个字节的序列：B0，B1，B2，B3...Bk...Bm-1。

（2）所有的I/O设备，如网络、磁盘盒终端，都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当做对相应的文件的读和写来执行。这是一种应用接口，成为Unix I/O。

-打开文件：一个应用程序通过要求内核打开相应地文件，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，叫做描述符。它在后续对此文件的所有操作中标识这个文件。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这个标识符。

-Unix外壳穿件的每个进程开始时都有三个打开的文件：标准输入（描述符为0）、标准输出（描述符为1）、标准错误（描述符为2）。头文件<unistd.h>定义了常量STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、STDERR_FILENO，它们而已用来代替显式的描述符值。

-改变当前的文件位置。对于每个打开的文件，内核保持着一个文件位置k，初始为0。这个文件位置是从文件开头起始的字节偏移量。应用程序能够通过执行seek操作，显式地设置文件的当前位置为k。

-读写文件。一个读操作就是从文件拷贝n>0个字节到存储器，从当前文件位置k开始，然后将k增加到k+n。给定一个大小为m字节的文件，当k>=m时执行读操作会触发一个称为end-of -file(EOF)的条件，应用程序能检测到这个条件。在文件结尾处并没有明确的“EOF”符号。

类似的，写操作就是从存储器拷贝n>0个字节到一个文件，从当前文件位置k开始，然后更新k。

-关闭文件。当应用完成了对文件的访问之后，它就通知内核关闭这个文件。作为响应，内核释放文件打开时创建的数据结构，并将这个描述符恢复到可用的描述符池中。无论一个进程因为何种原因终止时，内核都会关闭所有打开的文件并释放他们的存储器资源。

10.2 打开和关闭文件

（1）open函数将filename转换为一个文件描述符，并且返回描述符数字。返回的描述符总是在进程中当前没有打开的最小描述符。flags参数指明了进程打算如何访问这个文件。

O_RDONLY:只读。

O_WRONLY:只写。

O_RDWR：可读可写。

flags参数也可以是一个或者更多位掩码的或，为写提供给一些额外的指示：

O_CREAT：如果文件不存在，就创建它的一个截断的（空的）文件。

O_TRUNC:如果文件已经存在，就截断它。

（2）-进程是通过调用open函数来打开一个已存在的文件或者创建一个新文件的

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

int open(char *filename, int flags, mode_t mode);//Returns: new file descriptor if OK, −1 on error

-关闭文件

#include <unistd.h>

int close(int fd);

-读文件

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);//Returns: number of bytes read if OK, 0 on EOF, −1 on error

-可靠的读

ssize_t rio_readn(int fd, void *usrbuf, size_t n) {

size_t nleft = n;

ssize_t nread;

char *bufp = usrbuf;

while (nleft > 0) {

if ((nread = read(fd, bufp, nleft)) < 0) {

}

if (errno == EINTR)

nread = 0;

else

return -1;

}

else if (nread == 0)

break;

nleft -= nread;

bufp += nread;

}

return (n - nleft);

}

-写文件

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);//Returns: number of bytes written if OK, −1 on error

-可靠的写

ssize_t rio_writen(int fd, void *usrbuf, size_t n)

size_t nleft = n;

ssize_t nwritten;

char *bufp = usrbuf;

while (nleft > 0) {

if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) <= 0) {

if (errno == EINTR)  /* Interrupted by sig handler return */

nwritten = 0;

else

return -1;

}

nleft -= nwritten;

bufp += nwritten;

}

return n; }

10.3 读和写文件

（1）应用程序是通过分别调用read和write函数来执行输入和输出的

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);//返回值：成功为读的字节数，若EOF为0，出错为-1

ssize_t write(int fd,const void *buf,size_t n);//返回值成功为写的字节数，出错为-1
（2）read函数从描述符为fd的当前文件位置拷贝最多n个字节到存储器位置buf，返回值-1表示一个错误。而返回值0表示EOF。否则，返回值表示的是实际传送的字节数量
（3）write函数从存储器位置buf拷贝至多n个字节到描述符fd的当前文件位置
（4）在某些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的要少，这些不足值不表示有错误。原因如下：

-读时遇到EOF。假设我们猪呢比读一个文件，该文件从当前文件位置开始只含有20多个字节，而我们以50个字节的片进行读取。这样一来，下一个read返回的不足值为20，此后的read将通过返回不足值0来发出EOF信号。

-从终端读文本行。如果打开文件是与终端相关联的（如键盘和显示器），那么每个read函数将以此传送一个文本行，返回的不足值等于文本行的大小。

-读和写网络套接字。如果打开的文件对应于网络套接字，那么内部缓冲约束和较长的网络延迟会引起read和write返回不足值。对Unix管道调用read和write时，也有可能出现不足值，这种进程间的通信机制不在我们讨论的范围之内。

实际上，除了EOF，在读磁盘文件时，将不会遇到不足值，而且在写磁盘文件时，也不会遇到不足值。如果想创建简装的诸如web服务器这样的网络应用，就必须通过反复调用read和write处理不足值，直到所有需要的字节都传送完毕。

10.4 用RIO包健壮地读写

（1）RIO包会自动处理不足值。RIO提供了两类不同的函数：

-无缓冲的输入输出函数。这些函数直接在存储器和文件之间传送数据，没有应用级缓冲，他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。这些函数允许你高效地从文件中读取文本行和二进制数据，这些文件的内容缓存在应用级缓冲区内，类似于像printf这样的标准I/O函数提供的缓冲区。是线程安全的，它在同一个描述符上可以被交错地调用。例如，可以从一个描述符中读一些文本行，然后读取一些二进制数据，

（2）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。

（3）RIO的带缓冲的输入函数

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（‘\n'）与ASCII码换行符（LF）相同，数字值为0x0a。

用一个程序来计算文本文件中文本行的数量：用read函数来一次一个字节地从文件传送到用户存储器，检查每个字节来查找换行符。这个方法的缺点是效率低，每读取文件中的一个字节都要求陷入内核。

（4）RIO读程序核心：rio-read函数

static ssize_t rio_read(rio_t *rp,char *usrbuf,size_t n)

{

int cnt;

while(rp->rio_cnt<=0)//如果缓冲区为空，先调用函数填满缓冲区再读数据

{

rp->rio_cnt=read(rp->rio_fd,rp->rio_buf,sizeof(rp->rio_buf));//调用read函数填满缓冲区

if(rp->rio_cnt<0)//排除文件读不出数据的情况

{

if（error != EINTR）

{

return -1;

}

}

else if(rp->rio_cnt=0)

return 0;

else

rp->rio_bufptr = rp->rio_buf;//更新现在读到的位置

}

cnt=n;

if(rp->rio_cnt<n)

cnt=rp->rio_cnt;//以上三步，将n与rp->rio_cnt中较小的值赋给cnt

memcpy(usrbuf,rp->rio_bufptr,cnt);把读缓冲区的内容拷贝到用户缓冲区

rp->rio_bufptr+=cnt;

rp->rio_cnt-=cnt;

return cnt;

}

10.5读取文件元数据

（1）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（元数据）

#include <unistd.h>

#include <sys/stat.h>

int stat(cost char *filename,struc sta *buf);

int fstat(int fd,struct stat *buf);

（2）文件类型

-普通文件：二进制或文本数据，宏指令：S_ISREG()

-目录文件：包含其他文件的信息，宏指令:S_ISDIR()

-套接字：通过网络和其他进程通信的文件，宏指令:S_ISSOCK()

10.6 共享文件

（1）内核用三个相关的数据结构来表示打开的文件：

-描述符表：每个打开的描述符表项指向文件表中的一个表项

-文件表：所有进程共享这张表，每个表项包括文件位置，引用计数，以及一个指向v-node表对应表项的指针

-v-node表：所有进程共享这张表，包含stat结构中的大多数信息

（2）三种打开文件的类型

-典型：描述符各自引用不同的文件，没有共享

-共享：多个描述符通过不同的文件表表项引用同一个文件。（关键思想：每个描述符都有自己的文件位置，对不同描述符的读操作可以从文件的不同位置获取数据）

-继承：子进程继承父进程打开文件。调用fork后，子进程有一个父进程描述符表的副本，父子进程共享相同的打开文件表集合，因此共享相同的文件位置

图片参考书p607

10.7 I/0重定向

（1）dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到描述符表表项newfd，覆盖描述表表项newfd以前的内容

（2）如果newfd已经打开，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd

10.8 标准I/O

（1）在很多方面，使用标准I/O库和使用不带缓存的I/O类似。你需要先打开一个文件以建立一个访问路径。这个操作的返回值将作为其他标准I/O库函数的参数。在标准I/O库中，与底层文件描述符对应的对等物叫流（stream），它被实现为指向结构FILE的指针。

（2）在启动程序时，有三个文件流是自动打开的。它们是stdin、stdout和stderr。它们都是在stdio.h头文件里定义的，分别代表着标准输入、标准输出和标准错误输出，与底层文件描述符0、1和2相对应。

遇到的问题

-读和可靠的读区别在哪里，以及写和可靠的写

-ssize_t和size_t的区别在哪里

参考资料

-深入理解计算机系统

-博客园中有关Unix I/O的总结http://www.cnblogs.com/shangdahao/archive/2013/04/14/3019461.html

-吴子怡同学的博客

转载于:https://www.cnblogs.com/baka/p/4946955.html

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