Linux第八次学习笔记
系统级I/O
- 输入/输出(I/O)是在主存和外部设备之间拷贝数据的过程。
- 输入操作是从I/O设备拷贝数据到主存。
- I/O→主存
- 输出操作是从主存拷贝数据到I/O设备。
- 主存→I/O
Unix I/O
-
所有的I/O设备都被模型化为文件。
-
所有的输入和输出都被当作对相应文件的读和写来执行。
-
打开文件
- 应用程序通过要求内核打开相应的文件，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，称为描述符。
- 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操作符即可。
-
创建每个进程开始时三个打开的文件
- 标准输入（描述符为0）|STDIN_FILENO
- 标准输出（描述符为1）|STDOUT_FILENO
- 标准错误（描述符为2）|STDERR_FILENO
-
改变当前的文件位置
- 对于打开的文件，内核保存着该文件的位置k，初始值为0
- k为从文件开头起始的字节偏移量
- 应用程序通过执行seek操作，显式地设置文件的当前位置为k
-
读写文件
-
读操作：
- 从文件拷贝n>0个字节到存储器
- 从当前文件位置k开始
- 将k增加到k+n
- 给定一个大小为m字节的文件，当k≥m时（即当前文件位置已到文件尾），此时执行读操作会触发end-of-file(EOF)条件。
- 在文件的结尾并未明确的EOF符号
-
写操作：
- 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
- 更新k
-
-
关闭文件
- 应用完成对文件的访问后，会通知内核关闭该文件。
- 内核释放文件打开时创建的数据结构，并恢复描述池。
- 无论一个进程因为何种原因终止，内核都会关闭所有打开的文件并释放它们的存储器资源。
打开和关闭文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(char *filename,int flags,mode_t mode)
- sys/types.h 基本系统数据类型，其中包括核心地址、系统时间、设备号、文件描述集、文件位置等类型。
- sys/stat.h 用于获取一个文件的所有信息，包括文件对应的模式、设备号码、文件所有者、最后被访问的时间、最后被修改的时间等。ls -l命令就用到了该头文件中所包含的类型。
- fcntl.h 文件信息控制类型(file control),定义了很多宏和open.fcntl函数原型。
open函数
- char *filename 参数filename指向欲打开的文件路径字符串。
- int flags 旗标
-
O_RDONLY 以只读方式打开文件
-
define O_RDONLY 00
-
-
O_WRONLY 以只写方式打开文件
-
define O_WRONLY 01
-
-
O_RDWR 以可读写方式打开文件。
-
define O_RDWR 02
-
-
上述三种旗标是互斥的，也就是不可同时使用，但可与下列的旗标利用OR(|)运算符组合。
-
O_CREAT 若欲打开的文件不存在则自动建立该文件。
-
define O_CREAT 00000100
-
-
O_TRUNC 若文件存在并且以可写的方式打开时，此旗标会令文件长度清为0，而原来存于该文件的资料也会消失。
-
define O_TRUNC 00001000
-
-
O_APPEND 当读写文件时会从文件尾开始移动，也就是所写入的数据会以附加的方式加入到文件后面。
-
define O_APPEND 00002000
-
-
mode_t mode 文件权限标志
1. S_IRUSR 所有者拥有读权限 2. S_IWUSR 所有者拥有写权限 3. S_IXUSR 所有者拥有执行权限 4. S_IRGRP 群组拥有读权限 5. S_IWGRP 群组拥有写权限 6. S_IXGRP 群组拥有执行权限 7. S_IROTH 其他用户拥有读权限 8. S_IWOTH 其他用户拥有写权限 9. S_IXOTH 其他用户拥有执行权限 -
文件权限标志也可以用加权数字表示，这组数字被成为umask变量，它的类型是mode_t,是一个无符号八进制数。
-
umask变量由3位数字组成，数字的每一位代表一类权限，用户所获得的权限是加权数值的总和。
-
例如764表示所有者拥有读、写和执行权限，群组拥有读和写权限，其他用户拥有读权限。
-
0表示没有任何权限。
-
每个程序都有一个umask的值，并且默认为022。可以通过umask()函数调用设置。
- umask()会将系统umask值设成参数mask&0777后的值，然后将先前的umask值返回。在使用open()建立新文件时，该参数 mode并非真正建立文件的权限，而是(mode& ~umask)的权限值。
- 例如，在建立文件时指定文件权限为0666，通常umask值默认为 022，则该文件的真正权限则为0666&～022＝0644
-
-
书上例子解析：
#define DEF_MODE S_IRUSER|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH //拥用者、群组、其他人都拥有读写权限，相当于666 #define DEF_MASK S_IWGRP|S_IWOTH //用户组、其他人拥有写权限，相当于022 umask(DEF_UMASK); //将当前的umask值设置成022 fd = open("foo.txt",O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,DEF_MODE); //DEF_MODE此时的值应该为DEF_MODE &~DEF_UMASK，即666&~022=644，则文件的拥有者有读写权利，所有其他的用户只有读权利。 -
返回值 若成功则为新文件描述符，若出错为-1。返回的描述符总是在进程中当前没有打开的最小描述符。
-
示例：fd = open("foo.txt",O_WRONLY|O_APPEND,0)
- 表示打开一个已存在的文件，并在后面添加一些数据。
-
close函数
#include <unistd.h>
int close(int fd);
- unistd.h 提供了close()函数。
- 返回值：成功返回0，出错返回-1并设置errno
- 参数fd是要关闭的文件描述符。
- 需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。
- 若省略fd，则将关闭Open语句打开的所有活动文件。
读和写文件
读文件
#include <unist.h>
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);
- fd 文件描述符
- *buf 缓冲区指针，用于保存读出来的数据。
- n 所需要读取的字节数
- 返回值类型为ssize_t 表示有符号的size_t。
- size_t(size type),表示一种整型类型，包含int、long等。
- 返回所读取的字节数；0（读到EOF）；-1（出错）。
- 以下几种情况会导致读取到的字节数小于 n ：
- A. 读取普通文件时，读到文件末尾还不够 n 字节。例如：如果文件只有 30 字节，而我们想读取 100 字节，那么实际读到的只有 30 字节，read 函数返回 30 。此时再使用 read 函数作用于这个文件会导致 read 返回 0 。
- B. 从终端设备（terminal device）读取时，一般情况下每次只能读取一行。
- C. 从网络读取时，网络缓存可能导致读取的字节数小于 n字节。
- D. 读取 pipe 或者 FIFO 时，pipe 或 FIFO 里的字节数可能小于 n 。
- E. 从面向记录（record-oriented）的设备读取时，某些面向记录的设备（如磁带）每次最多只能返回一个记录。
- F. 在读取了部分数据时被信号中断。
写文件
#include <unist.h>
sszize_t write(int fd,const void *buf,size_t n);
- fd 文件描述符
- const void *buf 数据来源buf，const所描述的对象具有不变性，不可更新。
- n 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。
- 返回值 一般等于n，否则就是出错。
- 常见出错的原因：
- 磁盘空间满了
- 超过文件大小限制
- 常见出错的原因：
书上cpstdin.c代码测试
书上的源代码仅为理论上讲述的程序，说明了一次一个字节地从标准输入拷贝到标准输出的功能，但是并未有明显的表示。所以我将代码修改了，通过两个文件foo.txt与foo1.txt来体现该功能。
-
foo.txt文档中存放着123456的文本
-
foo1.txt为空文档。
-
代码功能将foo.txt中的文本一次一个地写入foo1.txt文档中。
-
代码如下：
/* $begin cpstdin */ #include "csapp.h" #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int main(void) { char c = 1; int fd1,fd2; fd1 = open("foo.txt",O_RDWR);//打开foo.txt，并将文件描述符保存至fd1 fd2 = open("foo1.txt",O_RDWR);//打开 foo1.txt，并将文件描述符保存至fd2 while(read(fd1,&c, 1) != 0)//当未读到EOF,则循环进行 write(fd2, &c, 1);//将一个字符写入foo1.txt中 exit(0); } /* $end cpstdin */ -
运行结果如下：
用RIO包健壮地读写
-
RIO（Robust I/O，健壮地I/O）包：它会自动为你处理不足值。
- 不足值：read和write传送的字节比应用程序要求地要少。
-
RIO提供了两类不同的函数：
- 无缓冲的输入输出函数。 没有应用级缓冲，它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。 高效地从文件中读取文件行和二进制数据，这些文件的内容缓存在应用级缓存区内。
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。
#include "csapp.h" ssize_t rio_readn(int fd,void *usrbuf,size_t n);
-
void *usrbuf 存储器位置
-
size_t n 传送的字节数
-
返回值 若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
-
功能 从描述符fd的当前文件位置最多传送n个字节到存储器位置usrbuf。
#include "csapp.h" ssize_t rio_writen(int fd,viod *usrbuf,size_t n);
- void *usrbuf 存储器位置
- size_t n 传送的字节数
- 返回值 若成功则为传送的字节数，若出错则为-1
- 功能 从位置usrbuf传送n个字节道描述符fd。
RIO带缓冲地输入函数
-
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，换行符的数值未0x0a。
#include "csapp.h" void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd); -
每打开一个描述符都会调用一次rio_readinitb，它将描述符fd和地址rp处的一个类型为rio_t的读缓冲区练习起来。
ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);
- rio_t 设置一个地址
- void *usrbuf 缓存区地址
- size_t maxlen 读取的最大长度
- 返回值 若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
- 功能 从一个内部读缓冲区拷贝一个文本行，当缓冲区变空时，会自动地调用read重新填满缓冲区。
- rio_readlineb函数最多读maxlen-1个字节，余下的一个字符留给结尾的空字符。
- 超过maxlen-1字节的文本行被截断，并用一个空字符结束。
- ssize_t rio_readnb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t n);
- rio_t 设置一个地址
- void *usrbuf 缓存区地址
- size_t maxlen 读取的最大长度
- 返回值 若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
- 功能 对于既包含文本行也包含二进制数据的文本，进行拷贝文本行操作。
- 从文件rp最多读n个字节道存储器位置usrbuf。
对同一描述符，对rio_readlineb和rio_readnb的调用可以任意交叉进行，但不应该和无缓冲的rio_readn函数交叉使用。
读取文件元数据
-
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（也称为文件的元数据）。
#include <unistd.h> #include <sys/stat.h> int stat(const char *filename,struct stat *buf); -
filename 文件名
-
struct stat *buf 结构体stat中各个成员，如下：
struct stat { mode_t st_mode; //文件对应的模式，文件，目录等 ino_t st_ino; //inode节点号 dev_t st_dev; //设备号码 dev_t st_rdev; //特殊设备号码 nlink_t st_nlink; //文件的连接数 uid_t st_uid; //文件所有者 gid_t st_gid; //文件所有者对应的组 off_t st_size; //普通文件，对应的文件字节数 time_t st_atime; //文件最后被访问的时间 time_t st_mtime; //文件内容最后被修改的时间 time_t st_ctime; //文件状态改变时间 blksize_t st_blksize; //文件内容对应的块大小 blkcnt_t st_blocks; //伟建内容对应的块数量 }; int fstat(int fd,struct stat *buf); -
int fd 文件描述符
-
不同的文件类型
- 普通文件
- 目录文件
- 网络套接字
-
宏指令根据st_mode成员来确定文件的类型
- S_ISREG() —— 这是一个普通文件吗？
- S_ISDIR() —— 这是一个目录文件吗？
- S_ISSOCK() —— 这是一个网络套接字吗？
共享文件
- 内核用三个数据结构来表示打开的文件：
-
描述符表
- 每个进程都有它独立的描述符表
-
文件表
- 打开文件的集合是由一张文件表来表示的，所有的进程共享这张表。
- 每个文件表的表项组成：
- 当前的文件位置
- 引用计数
- 指向v-node表中对应表项的指针
-
v-node表
- 所有的进程共享这张v-node表。
-
I/O重定向
-
利用dup2函数进行I/O重定向工作
#include <unistd.h> int dup2(int oldfd,int newfd); -
dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到描述符表表项newfd，覆盖描述符表表项newfd以前的内容。
-
如果newfd已经打开了，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd。
标准I/O
-
ANSI C定义了一组高级输入输出函数，成为标准I/O库。
- 提供了打开和关闭文件的函数(fopen/fclose)
- 读和写字节的函数(fread/fwrite)
- 读和写字符串的函数(fgets/fputs)
- 复杂的格式化的I/O函数(scanf/printf)
-
标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流。
-
每个ANSI C程序开始时都有三个打开的流stdin、stdout和stderr。
-
类型为FILE的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象。
参考资料
1.《Computer.Systems.A.Programmer's.Perspective.2nd.CN》教材
2.《打开文件、新建文件和关闭文件操作》http://book.51cto.com/art/200912/169537.htm
3.《linux下的文件操作函数》http://jingyan.baidu.com/article/6dad5075c33056a123e36ecf.html
4.《linux下的umask()函数》http://www.360doc.com/content/12/0605/16/9305922_216186419.shtml
