unix环境高级编程-文件IO

文件IO：

大多数文件IO只需要用到5个函数：open，read，write，lseek和close

这里描述的函数经常被称为不带缓冲的IO（unbuffered IO），不带缓冲的意思是每个read和write都调用内核中的一个系统调用，这些不带缓冲的IO函数不是ISO C的组成部分，但是却是POSIX的组成。

只要涉及在多个进程之间共享资源，那么原子操作的概念就变得非常重要。

文件描述符：

对于内核而言，所有打开的文件都通过文件描述符引用，文件描述符是一个非负整数，当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。当读写一个文件时，用open或creat返回的文件描述符标识该文件，将其作为参数传递给read或write。

一般而言，Unix将文件描述符0余进程的标准输入相关联，文件描述符1与标准输出关联，文件描述符2与标准错误相关联。这三个描述符通常替换成符号常量STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO以提高可读性。这些常量在头文件unistd.h定义。

文件描述符的变化范围是0-OPEN_MAX-1，也即是每个进程最多允许打开文件数-1。

open函数：调用该函数可以创建或打开一个文件

#include<fcntl.h>

int open(const char *pathname, int oflag, ......);

pathname 是要打开或者创建文件的名字，oflag可用来说明函数的多个选项，用下列一个或多个常量进行或运算构成oflag参数，具体oflag参数有如下：

O_RDONLY   只读 0

O_WRONLY  只写 1

O_RDWR       读写 2

O_EXEC         只执行

O_SEAECH  只搜索（应用于目录）

以上5个参数必须选择一个

下列常量是可选择的：

由open返回的文件描述符一定是最小的未用描述符数值，可以被某些应用程序用来标准输入、输出上打开新的文件

creat函数：可调用creat函数创建一个新文件：

#include<fcntl.h>

int creat(const char *pathname , mode_t mode);    返回值：如果成功返回只写打开的文件描述符，若出错则返回-1

此函数等效于：open(pathname, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode);

creat函数一个不足之处是它以只写方式打开所创建的文件，如果要创建一个文件，必须先写，然后又读， 也就是先调用creat，close，然后调用open。现在可以用以下方式：

open（pathname, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC , MODE）；

close 函数：关闭一个打开文件

当一个进程终止时，内核自动关闭打开的所有文件，很多程序都利用这一功能而不显示的调用close关闭打开文件。

lseek函数：为一个打开的函数设置偏移量

每个打开文件都有一个与其想关联的当前文件偏移量，用于度量从文件开始处计算的字节数，通常读写操作都是从当前文件偏移量开始。按照系统默认的情况，当打开一个文件时，除非指定了O_APPEND选项，否则偏移量设置为0。

调用lseek显性为一个打开文件设置偏移量

参数offset和参数whence有关：

若whence是seek_SET，则将该文件的偏移量设置为文件开始处offset字节。

若whence是seek_CUR，则将该文件的偏移量设置为当前值+offset字节，offset可正可负。

若whence是seek_END，则将该文件的偏移量设置为文件长度加offset字节，offset可正可负。

文件偏移量是可以大于文件的当前长度，这种情况下，对该文件的下一次写将加长该文件，并在文件中构成一个空洞，位于文件中单没有写过的字节都被读为0。

文件的空洞并不要求在磁盘上占有存储区。

read函数：从打开文件中读数据

write函数：向打开文件写数据

文件共享：不同进程间共享打开文件

下图显示了一个进程对应三张表之间的关系，该进程有两个不同的打开文件：一个文件从标准输入打开（文件描述符0），另一个从标准输出打开（文件描述符1）

如果两个独立进程各自打开同一个文件，则有图中所示关系

对于多个进程读取同一文件都能正确工作，每个进程有它自己的文件表项，其中也有它自己的当前文件偏移量，但是多个进程写同一文件时，可能产生预想不到的结果。

原子操作：

考虑一个进程，它要将数据追加到一个文件尾端，程序是这样写的

对单个进程而言是可以运行的，但是对于多个进程，同时使用这种方法，会产生问题。

比如两个进程AB对同一文件进行写操作，每个进程都打开该文件，每个进程有自己的文件表项，但是共享一个v节点表项，当两个进程写操作时，会导致信息不一致而出错。

问题出于逻辑操作：先定位到文件尾端，然后写，它使用了两个分开的函数调用，解决方法是使者两个操作对于其他进程而言成为一个原子操作，任何要求多于一个函数调用的操作都不是原子操作，因为在两个函数调用之间，内核有可能临时挂起进程。

Unix系统为这样的操作提供了一种原子操作的办法，在打开文件时设置O_APPEND标志，这样使得内核在每次写操作之前，都将进程的当前偏移量设置到该文件的尾端处。

比如函数pread和pwrite。

一般而言，原子操作指的是由多步组成的一个操作，如果该操作原子执行，则要么执行完所有操作，要么一步也不执行，不可能只执行所有步骤的一个子集。