Linux系统编程:基本I/O系统调用

文件描述符

进程每打开一个文件的时候,会获得该文件的文件描述符,而后续的读写操作都把文件描述符作为参数。在用户空间或者内核空间,都是通过文件描述符来唯一地索引一个打开的文件。文件描述符使用int类型表示,文件描述符的范围从0开始,到上限值-1,默认情况下,上限值为1024,也就是说,进程默认情况下最多可以打开1024个文件。负数是不合法的文件描述符,当函数调用出错时,返回的文件描述符为-1。

每个进程都至少包含三个文件描述符:

文件描述符

表示

0

标准输入(stdin)

STDIN_FILENO

1

标准输出(stdout)

STDOUT_FINENO

2

标准错误(stderr)

STDERR_FILENO

遵循Linux一切皆文件的概念,文件描述符除了访问普通文件外,几乎能够访问任何能够读写的东西。包括设备文件、管道、先进先出缓冲区、套接字等。

open()系统调用

对文件进行读写之前,必须先打开文件。Linux提供了系统调用open()。open()有两个函数原型:

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

两个函数均可用来打开文件,第二个函数比第一个多了参数mode,mode指定文件的权限---当创建新文件的时候才需要。如果文件打开成功,则返回文件描述符,指向pathname所指定的文件。flags参数用于指定打开的方式,它支持三种访问模式:

访问模式

描述

O_RDONLY

打开一个供读取的文件

O_WRONLY

打开一个供写入的文件

O_RDWR

打开一个可供读写的文件

flags参数还可以与下面的值进行按位或运算,修改打开文件的行为:

打开方式

描述

O_APPEND

写入的所有数据将被追加到文件的末尾

O_CREAT

打开文件,如果文件不存在则建立文件

O_EXCL

如果已经设置了O_CREAT且文件存在,则强制open()失败,只能与O_CREAT搭配使用

O_TRUNC

如果文件存在,且是普通文件,并且有写权限,将文件内容清空

O_NONBLOCK

文件以非阻塞模式打开,请见read系统调用

举个例子,下面的句子表示:以写的方式打开文件,如果文件不存在,则创建新的文件,并且文件的内容为空:

int fd ;
fd = open("file.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0644);

这里的0644指定了新创建的文件访问权限,参数mode的取值如下:

打开方式

描述

S_IRUSR

文件所有者有读权限

S_IWUSR

文件所有者有写权限

S_IXUSR

文件所有者有执行权限

S_IRWXU

文件所有者有读、写、执行权限

S_IRGRP

组用户有读权限

S_IWGRP

组用户有写权限

S_IXGRP

组用户有执行权限

S_IRWXG

组用户有读、写、执行权限

S_IROTH

所有人有读权限

S_IWOTH

所有人有写权限

S_IXOTH

所有人有执行权限

S_IRWXO

所有人有读、写、执行权限

实际上最终写入磁盘的文件访问权限是由mode参数和用户的文件创建掩码(umask)执行按位与操作得到的。举个例子:

int main()

{
        int fd;
        fd = open("TEST.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,S_IRWXU|S_IRWXG|S_IRWXO );//以只读方式打开文件  
        //等价于  fd = open("TEST.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0777 );//以只读方式打开文件  
        if(fd == -1)
                perror("open file error!");
        return 0;
}

按理来说,创建出来的文件的访问权限应该是-rwxrwxrwx,而查看后发现其实不是:

ls -l TEST.txt 
-rwxrwxr-x 1 huanzhewu huanzhewu 0  5月  7 21:29 TEST.txt  【权限为0775】

查看当前的掩码:

$ umask
0002

可以发现 0775 = 0777 ^ (~0002) ,所以0775才是最后的文件访问权限。umask是进程级属性,通过调用umask()函数来修改,支持用户修改新创建的文件和目录的权限。

总结起来可以得到这样一条公式:

newmode = mode ^ (~ umask)

总结一下:至此,我们了解了文件打开所提供的两个系统调用函数open(),了解了打开文件的方式、新建文件的访问权限设置。如果文件打开成功,那么将返回一个文件描述符,这是一个非零整数(因为0,1,2是进行已经拥有的文件描述符),否则函数将返回-1

creat()系统调用

顾名思义,creat函数用来创建一个文件,不过我们可能产生疑问:前面的open函数使用一些选项后,不是也可以创建新文件吗?没错,creat函数完全等价与下面的open语句:

int fd ;
fd = open("file.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0644);   
fd = creat("file.txt,0644");   /*两个语句的作用完全等价*/

由于选项O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC组合经常使用,因而系统调用专门使用creat函数来提供这个功能。creat函数的原型如下:

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/stat.h>
 #include <fcntl.h>
 int creat(const char *pathname, mode_t mode);

其中参数的描述与open的参数一致,这里不再赘述。

read()系统调用

文件打开后,就能够读文件了。read()是最基础、最常见的读取文件的机制。read的函数原型为:

 #include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

fd 为文件描述符。每次调用read函数时,会从fd指向的文件的当前偏移(或称文件位置)开始读取count字节到buf所指的的内存中。随着文件的读取,fd的文件位置指针会向前移动。关于read的读取,会出现很多需要思考的问题:

  1. 问题一:如果文件长度为0
  2. 问题二:如果文件长度不够count长度
  3. 问题三:如果读取时,read被信号中断了

我们一一来看:

  1. 问题1属于“没有数据可读”,此时read调用会阻塞,直到有数据可读;
  2. 问题2属于到达数据结尾(EOF),此时read调用返回0
  3. 问题三,read调用返回大于0小于count的值;如果在读取任何数据之前被信号中断,则返回-1,同时把errno设置为EINTR。

由于read有这么多需要考虑的问题,如果希望每次都能读入count个字节,下面是一段示例代码:

//保证读取200个字节到ptr中

ssize_t ret ;
int len = 200;
 while(len!= 0 && ( ret = read(fd, ptr, len )) != 0)
 {
                if(ret == -1)
                {
                        if( errno == EINTR)
                                continue;
                        perror("read");
                        break;
                }
                len -= ret ;
                ptr += ret ;
    }

再来看看问题1,当文件没有数据可以读时(一开始就没有),read调用会被阻塞,直到文件有数据可以读,这是一种阻塞I/O。如果文件以O_NONBLOCK模式打开,则文件为非阻塞模式,当文件没有数据可以读时,read系统调用返回-1,并把errno设置为EAGAIN。

        ssize_t ret ;
        int len = 200;
        while(len!= 0 && ( ret = read(fd, ptr, len )) != 0)
        {
                if(ret == -1)
                {
                        if( errno == EINTR)
                        {
                                printf("读取被中断\n");
                                continue;
                        }
                        if(errno== EAGAIN)
                        {
                                printf("文件没有可读\n");
                                //重新提交读取
                                continue;
                        }
                        break;
                }
                len -= ret ;
                ptr += ret ;
        }

除了errno被设置为EINTR与EAGAIN,其他情况下都是出现严重的文件读取错误,重新执行读操作不会成功。

write() 系统调用

write的函数原型为:

    #include <unistd.h>
    ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);  【将buf中count个字节的内容写入fd指定的文件中】

write的返回值比较简单:

  • 写入失败返回-1 ,同时设置errno的值
  • 写入成功返回成功写入的字节数。
  • 返回0时没有特殊含义,仅表示写入了0个字节的内容。

对于普通文件,write基本能保证每次执行调用能够写入全部的内容。对于其他文件如socket,需要进行循环写,保证所有的字节都写入了文件中:

ssize_t ret ;
int len = 200;
 while(len!= 0 && ( ret = write(fd, ptr, len )) != 0)
 {
                if(ret == -1)
                {
                        if( errno == EINTR)
                                continue;
                        perror("write");
                        break;
                }
                len -= ret ;
                ptr += ret ;
    }

同样的,当以非阻塞的模式打开文件时(O_NONBLOCK),系统调用write()会返回-1,并把errno设置为EAGAIN。

系统调用write()时,数据从用户空间的缓冲区中拷贝到了内核空间的缓冲区,但并没有立即把数据写入磁盘中,这称为延迟写。延迟写的问题在于,如果在数据真正写入磁盘之前系统崩溃了,则数据可能丢失。内核设置了一个时间,在该时间内将内核空间缓冲区上的数据写入磁盘,该时间称为"最大存放时效"。Linux系统也支持强制文件立即写入磁盘上,这在后面介绍。

close()系统调用

程序完成文件的读写后,调用close函数关闭文件描述符与文件之间的连接,使得文件描述符可以被重用。close的函数原型为:

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

文件关闭成功返回0,出错返回-1,并设置相应的errno。文件成功关闭并不以为着该文件的数据已经被写入磁盘,同步选项在后续介绍。

总结:本文简单介绍了文件的打开、创建、读写、关闭操作,介绍了一些常用的open参数选项,creat与open的等价性,循环读、循环写的必要性,也关注了各个系统调用的返回值含义,了解如何设置非阻塞读写,并简单提到了延迟写的问题,在后续的文件中将介绍同步I/O的内容。

文章连接:http://www.cnblogs.com/QG-whz/p/5469891.html

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