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Unix I/O

一个Linux文件就是一个m个字节的序列。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做相应文件的读和写来执行。

• 打开文件。一个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，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。应用程序只需记住这个描述符。
• Linux shell创建的每个进程开始时都有三个打开的文件：标准输入（描述符0）、标准输出（描述符1）和标准错误（描述符2）。头文件<unistd.h>定义了常量STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO，可迎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复制n > 0个字节到内存，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。写操作就是从内存复制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它们的内存资源。

文件

每个Linux文件都有一个类型来表明它在系统中的角色：

• 普通文件。包含任意数据。应用程序常常要区分文本文件和二进制文件，文本文件是只含有ASCII或Unicode字符的普通文件；二进制文件是所有其他的文件。对内核而言，文本文件和二进制文件没有区别。

  Linux文本文件包含了一个文本行序列，其中每一行都是一个字符序列，以一个新行符（"\n"）结束。

• 目录是包含一组链接的文件，其中每个链接都将一个文件名映射到一个文件，这个文件可能是另一个目录。每个目录至少含有两个条目："."是到该目录自身的链接，".."是到目录层次结构中父目录的链接。

• 套接字是用来与另一个进程进行跨网络通信的文件。

打开和关闭文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fchtl.h>
 
int open(char *filename, int flags, mode_t mode);

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）文件。
• O_TRUNC：如果文件已经存在，就截断它。
• O_APPEND：在写操作前，设置文件位置到文件的结尾处。

mode参数指定了新文件的访问权限位。作为上下文的一部分，每个进程都有一个umask，它是通过调用umask函数来设置的。当进程通过带某个mode参数的open函数调用来创建一个新文件时，文件的访问权限位被设置为mode & ~umask。

#define DEF_MODE S_IRUSR | SIWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH
#define DEF_UMASK S_IWGRP | S_IWOTH
 
umask(DEF_UMASK);
fd = open("foo.txt", O_CREAT | O_TRUNC | O_WRONLY, DEF_MODE);

此时文件的拥有者有读写权限，而所有其他的用户都有读权限。

#include <unistd.h>
 
int close(int fd);

读和写文件

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);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);

read函数从描述符为fd的当前文件位置复制最多n个字节到内存位置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。write若成功则返回写的字节数，若出错则为-1。

write函数从内存位置buf复制至多n个字节到描述符fd的当前文件位置。

在某些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的少，这些不足值不表示有错误。出现这样情况的原因有：

• 读时遇到EOF。
• 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函数将一次传送一个文本行，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。

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（文件的元数据）。

#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
 
int stat(const char *filename, struct stat *buf);
int fstat(int fd, struct stat *buf);

stat函数以一个文件名作为输入，并填写一个stat数据结构中的各个成员。

struct stat {
    dev_t          st_dev;
    ino_t          st_ino;
    mode_t         st_mode;
    nlink_t        st_nlink;
    uid_t          st_uid;
    gid_t          st_gid;
    dev_t          st_rdev;
    off_t          st_size;
    unsigned long  st_blksize;
    unsigned long  st_blocks;
    time_t         st_atime;
    time_t         st_mtime;
    time_t         st_ctime;
};

st_size成员包含了文件的字节数大小。st_mode成员则编码了文件访问许可位和文件类型。Linux在sys/stat.h中定义了宏谓词来确定st_mode成员的文件类型：

S_ISREG(m)   是否普通文件
S_ISDIR(m)   是否目录文件
S_ISSOCK(m)  是否网络套接字

读取目录内容

应用程序可以用readdir系列函数来读取目录的内容。

#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
 
DIR *opendir(const char *name);

opendir以路径名为参数，返回指向目录流的指针。流是对条目有序列表的抽象，在这里是指目录项的列表。

#include <dirent.h>
struct dirent *readdir(DIR *dirp);

每次对readdir的调用返回的都是指向流dirp中下一个目录项的指针。如果没有更多目录项则返回NULL。每个目录项都是一个结构：

struct dirent {
    ino_t d_ino;
    char d_name[256];
}

d_name是文件名，d_ino是文件位置。如果出错，则readdir返回NULL，并设置errno。

#include <dirent.h>
int closedir(DIR *dirp);

共享文件

内核用三个相关的数据结构来表示打开的文件：

• 描述符表。每个进程都有它独立的描述符表，它的表项是由进程打开的文件描述符来索引的。每个打开的描述符表项指向文件表中的一个表项。
• 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包括当前的文件位置、引用计数，以及一个指向v-node表中对应表项的指针。关闭一个描述符会减少相应的文件表表项中的引用计数。内核不会删除这个文件表表项，直到它的引用计数为零。
• v-node表。同文件表一样，所有的进程共享这张v-node表。每个表项包含stat结构中的大多数信息，包括st_mode和st_size成员。

多个描述符可以通过不同的文件表表项来引用同一个文件。如果以同一个filename调用open函数两次，就会发生这种情况。关键思想是每个描述符都有它自己的文件位置，所以对不同描述符的读操作可以从文件的不同位置获取数据。

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。一个很重要的结果就是，在内核删除相应文件表表项之前，父子进程必须都关闭了它们的描述符。

I/O重定向

Linux shell提供了I/O重定向操作符，允许用户将磁盘文件和标准输入输出联系起来。

linux> ls > foo.txt

I/O重定向一种方式是使用dup2函数。

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2函数复制描述符表项oldfd到描述符表表项newfd，覆盖描述符表项newfd以前的内容。如果newfd已经打开了，dup2会在复制oldfd之前关闭newfd。