Linux系統編程：基本I/O系統調用

文件描述符

進程每打開一個文件的時候，會得到該文件的文件描述符，然後續的讀寫操做都把文件描述符做爲參數。在用戶空間或者內核空間，都是經過文件描述符來惟一地索引一個打開的文件。文件描述符使用int類型表示，文件描述符的範圍從0開始，到上限值-1，默認狀況下，上限值爲1024，也就是說，進程默認狀況下最多能夠打開1024個文件。負數是不合法的文件描述符，當函數調用出錯時，返回的文件描述符爲-1。

每一個進程都至少包含三個文件描述符：

文件描述符	表示	宏
0	標準輸入（stdin）	STDIN_FILENO
1	標準輸出（stdout）	STDOUT_FINENO
2	標準錯誤（stderr）	STDERR_FILENO

遵循Linux一切皆文件的概念，文件描述符除了訪問普通文件外，幾乎可以訪問任何可以讀寫的東西。包括設備文件、管道、先進先出緩衝區、套接字等。

open()系統調用

對文件進行讀寫以前，必須先打開文件。Linux提供了系統調用open()。open()有兩個函數原型：

#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);

兩個函數都可用來打開文件，第二個函數比第一個多了參數mode，mode指定文件的權限---當建立新文件的時候才須要。若是文件打開成功，則返回文件描述符，指向pathname所指定的文件。flags參數用於指定打開的方式，它支持三種訪問模式：

訪問模式	描述
O_RDONLY	打開一個供讀取的文件
O_WRONLY	打開一個供寫入的文件
O_RDWR	打開一個可供讀寫的文件

flags參數還能夠與下面的值進行按位或運算，修改打開文件的行爲：

打開方式	描述
O_APPEND	寫入的全部數據將被追加到文件的末尾
O_CREAT	打開文件，若是文件不存在則創建文件
O_EXCL	若是已經設置了O_CREAT且文件存在，則強制open()失敗，只能與O_CREAT搭配使用
O_TRUNC	若是文件存在，且是普通文件，而且有寫權限，將文件內容清空
O_NONBLOCK	文件以非阻塞模式打開，請見read系統調用

舉個例子，下面的句子表示：以寫的方式打開文件，若是文件不存在，則建立新的文件，而且文件的內容爲空：

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

這裏的0644指定了新建立的文件訪問權限，參數mode的取值以下：

打開方式	描述
S_IRUSR	文件全部者有讀權限
S_IWUSR	文件全部者有寫權限
S_IXUSR	文件全部者有執行權限
S_IRWXU	文件全部者有讀、寫、執行權限
S_IRGRP	組用戶有讀權限
S_IWGRP	組用戶有寫權限
S_IXGRP	組用戶有執行權限
S_IRWXG	組用戶有讀、寫、執行權限
S_IROTH	全部人有讀權限
S_IWOTH	全部人有寫權限
S_IXOTH	全部人有執行權限
S_IRWXO	全部人有讀、寫、執行權限

實際上最終寫入磁盤的文件訪問權限是由mode參數和用戶的文件建立掩碼（umask）執行按位與操做獲得的。舉個例子：

int main()

{
        int fd;
        fd = open("TEST.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,S_IRWXU|S_IRWXG|S_IRWXO );//以只讀方式打開文件  
        //等價於  fd = open("TEST.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0777 );//以只讀方式打開文件  
        if(fd == -1)
                perror("open file error!");
        return 0;
}

按理來講，建立出來的文件的訪問權限應該是-rwxrwxrwx，而查看後發現其實不是：

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

查看當前的掩碼：

$ umask
0002

能夠發現 0775 = 0777 ^ (~0002) ，因此0775纔是最後的文件訪問權限。umask是進程級屬性，經過調用umask()函數來修改，支持用戶修改新建立的文件和目錄的權限。

總結起來能夠獲得這樣一條公式：

newmode = mode ^ (~ umask)

總結一下：至此，咱們瞭解了文件打開所提供的兩個系統調用函數open()，瞭解了打開文件的方式、新建文件的訪問權限設置。若是文件打開成功，那麼將返回一個文件描述符，這是一個非零整數（由於0,1,2是進行已經擁有的文件描述符），不然函數將返回-1

creat()系統調用

顧名思義，creat函數用來建立一個文件，不過咱們可能產生疑問：前面的open函數使用一些選項後，不是也能夠建立新文件嗎？沒錯，creat函數徹底等價與下面的open語句：

int fd ;
fd = open("file.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC，0644);   
fd = creat("file.txt,0644");   /*兩個語句的做用徹底等價*/

因爲選項O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC組合常用，於是系統調用專門使用creat函數來提供這個功能。creat函數的原型以下：

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

其中參數的描述與open的參數一致，這裏再也不贅述。

read()系統調用

文件打開後，就可以讀文件了。read（）是最基礎、最多見的讀取文件的機制。read的函數原型爲：

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

fd 爲文件描述符。每次調用read函數時，會從fd指向的文件的當前偏移（或稱文件位置）開始讀取count字節到buf所指的的內存中。隨着文件的讀取，fd的文件位置指針會向前移動。關於read的讀取，會出現不少須要思考的問題：

1. 問題一：若是文件長度爲0
2. 問題二：若是文件長度不夠count長度
3. 問題三：若是讀取時，read被信號中斷了

咱們一一來看：

1. 問題1屬於「沒有數據可讀」，此時read調用會阻塞，直到有數據可讀；
2. 問題2屬於到達數據結尾（EOF），此時read調用返回0；
3. 問題三，read調用返回大於0小於count的值；若是在讀取任何數據以前被信號中斷，則返回-1，同時把errno設置爲EINTR。

因爲read有這麼多須要考慮的問題，若是但願每次都能讀入count個字節，下面是一段示例代碼：

//保證讀取200個字節到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 ;
    }

再來看看問題1，當文件沒有數據能夠讀時（一開始就沒有），read調用會被阻塞，直到文件有數據能夠讀，這是一種阻塞I/O。若是文件以O_NONBLOCK模式打開，則文件爲非阻塞模式，當文件沒有數據能夠讀時，read系統調用返回-1，並把errno設置爲EAGAIN。

ssize_t ret ;
        int len = 200;
        while(len!= 0 && ( ret = read(fd, ptr, len )) != 0)
        {
                if(ret == -1)
                {
                        if( errno == EINTR)
                        {
                                printf("讀取被中斷\n");
                                continue;
                        }
                        if(errno== EAGAIN)
                        {
                                printf("文件沒有可讀\n");
                                //從新提交讀取
                                continue;
                        }
                        break;
                }
                len -= ret ;
                ptr += ret ;
        }

除了errno被設置爲EINTR與EAGAIN，其餘狀況下都是出現嚴重的文件讀取錯誤，從新執行讀操做不會成功。

write() 系統調用

write的函數原型爲：

#include <unistd.h>
    ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);  【將buf中count個字節的內容寫入fd指定的文件中】

write的返回值比較簡單：

• 寫入失敗返回-1 ，同時設置errno的值
• 寫入成功返回成功寫入的字節數。
• 返回0時沒有特殊含義，僅表示寫入了0個字節的內容。

對於普通文件，write基本能保證每次執行調用可以寫入所有的內容。對於其餘文件如socket，須要進行循環寫，保證全部的字節都寫入了文件中：

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 ;
    }

一樣的，當以非阻塞的模式打開文件時（O_NONBLOCK），系統調用write()會返回-1，並把errno設置爲EAGAIN。

系統調用write()時，數據從用戶空間的緩衝區中拷貝到了內核空間的緩衝區，但並無當即把數據寫入磁盤中，這稱爲延遲寫。延遲寫的問題在於，若是在數據真正寫入磁盤以前系統崩潰了，則數據可能丟失。內核設置了一個時間，在該時間內將內核空間緩衝區上的數據寫入磁盤，該時間稱爲"最大存放時效"。Linux系統也支持強制文件當即寫入磁盤上，這在後面介紹。

close()系統調用

程序完成文件的讀寫後，調用close函數關閉文件描述符與文件之間的鏈接，使得文件描述符能夠被重用。close的函數原型爲：

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

文件關閉成功返回0，出錯返回-1，並設置相應的errno。文件成功關閉並不覺得着該文件的數據已經被寫入磁盤，同步選項在後續介紹。

總結:本文簡單介紹了文件的打開、建立、讀寫、關閉操做，介紹了一些經常使用的open參數選項，creat與open的等價性，循環讀、循環寫的必要性，也關注了各個系統調用的返回值含義，瞭解如何設置非阻塞讀寫，並簡單提到了延遲寫的問題，在後續的文件中將介紹同步I/O的內容。

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