最全的李慧芹APUE-文件IO笔记
文件 IO / 系统调用 IO注: 李慧芹老师的视频课程请点这里, 本篇为系统IO一章的笔记, 课上提到过的内容基本都会包含, 上一章为标准IO
文件描述符(fd)是在文件IO中贯穿始终的类型
本节内容
[*]文件IO操作: open, close, read, write, lseek
[*]文件IO与标准IO的区别
[*]IO的效率问题
[*]文件共享问题
[*]原子操作
[*]程序中的重定向: dup, dup2
[*]同步: sync, fsync, fdatasync
[*]管家: fcntl(), ioctl()
FILE 与 fd
stdio中, 可以调用fopen()(依赖于sysio的open())获得FILE结构体(结构如下表)指针:
字段说明pos文件位置fd文件描述符......磁盘上的每个文件有唯一的标识inode, 而每次调用open()时, 都会产生一个结构体, 该结构体包含了要打开的文件的所有信息(包括inode)
进程维护了一个数组(大小为1024), 存储所有通过open()产生的结构体的首地址
文件描述符fd表示了某一结构体的首地址在上述数组中的下标位置, 因此, fd实际上就是int类型变量!
https://img2023.cnblogs.com/blog/3284898/202309/3284898-20230923235158929-547860611.png
fd优先使用当前可用范围内下标值最小的数组位置
设进程维护的数组为A, close()函数就相当于:
free(A);
A = NULL;当发生如下图所示情况(数组中的两个指针同时指向同一个结构体)时:
https://img2023.cnblogs.com/blog/3284898/202309/3284898-20230923235306944-893910783.png
close(4)并不会导致A变为野指针, 这是由于结构体中包含引用计数器(counter)字段, 只有当该字段变为0时, 该结构体占用的空间才会被释放
打开与关闭操作
[*]打开
#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);
int creat(const char *pathname, mode_t mode);参数flags是一个位图, 必须包含一个状态选项:
模式权限O_RDONLY只读O_WRONLY只写O_RDWR读写可以包含零或多个创建选项:
模式说明O_CREAT有则情况, 无则创建O_EXCL必须打开一个新文件O_APPEND追加O_TRUNC截断O_ASYNC信号驱动IOO_DIRECT最小化cache作用O_DIRECTORY必须打开目录O_LARGEFILE打开的是大文件(该方法不如设置_FILE_OFFSET_BITS为64)O_NOATIME不需要更新文件最后读的时间(节省文件更新时间)O_NOFOLLOW如果文件是符号链接, 那么不打开它O_NONBLOCK非阻塞O_SYNC同步cache vs buffer:
cache代表"读的缓冲区"
buffer代表"写的缓冲区"
open()和creat()执行成功时返回文件描述符, 失败则返回-1
下标为fopen()的参数mode与open()的参数flags的比对:
modeflagsrO_RDONLYr+O_RDWRwO_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNCw+O_RDWR|O_TRUNC|O_CREAT当flags & O_CREAT != 0时, 则open()必须传入mode, 创建的文件的权限服从:
mode & ~umask
[*]关闭
#include <unistd.h>
int close(int fd);成功返回0, 失败返回-1; 一般认为close()不会失败, 因此极少校验返回值
读写与定位操作
[*]读
#include <unistd.h>
// 尝试从fd中读取count个字节到buf中
// 如果成功, 返回读到的字节数, 读到文件尾, 返回0, 失败返回-1
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
[*]写
// 如果成功, 返回写入的字节数(返回0表示未写入任何内容), 失败返回-1
// 且会设置errno
ssize_t write(int fd, const void *fd, size_t count);
[*]定位
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
// 从whence位置偏移offset个字节
// whence选项: SEEK_SET(文件首), SEEK_CUR(当前位置), SEEK_END(文件尾)
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);重写 mycpy
mycpy.c:
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define BUFSIZE 1024
int main(int argc, char **argv)
{
int sfd, dfd;
char buf;
ssize_t rs, ws, pos;
int flag = 1;
if (argc < 3)
{
fprintf(stderr, "Usage: %s <src_file> <dst_file>\n", argv);
exit(1);
}
sfd = open(argv, O_RDONLY);
if (sfd < 0)
{
perror("open()");
exit(1);
}
dfd = open(argv, O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0600);
if (dfd < 0)
{
close(sfd);
perror("open()");
exit(1);
}
while (1)
{
rs = read(sfd, buf, BUFSIZE);
if (rs < 0)
{
perror("read()");
break;
}
if (rs == 0)
break;
pos = 0;
while (rs > 0)
{
ws = write(dfd, buf+pos, rs);
if (ws < 0)
{
perror("write()");
flag = 0;
break;
}
rs -= ws;
pos += ws;
}
if (!flag)
break;
}
close(dfd);
close(sfd);
exit(0);
}Makefile:
CFLAGS+=-D_FILE_OFFSET_BITS=64 -Wall执行以下命令:
make mycpy
./mycpy /etc/services ./out
diff /etc/services ./out如果什么也没输出, 则说明mycpy已正确执行
系统 IO 与标准 IO 比较
区别:
系统调用IO: 每调用一次, 会从user态切换到kernel态执行一次(实时性好)
标准IO: 数据先写入缓冲区, 在某一事件(如: 强制刷新/缓冲区满/换行, 详见上一章对行缓冲/全缓冲/无缓冲的描述)发生时才会将缓冲区内数据写入文件/设备(吞吐量大)
提醒:
fileno()可以拿出FILE *的fd字段
fdopen()可以将fd封装到FILE *中
但是, 绝不能将标准IO与系统调用IO混用!
绝大多数情况下, FILE结构体中的pos字段与存储文件所有信息的结构体的pos字段值不相等! 如:
FILE *fp;
fputc(fp) // pos ++
fputc(fp) // pos ++只代表FILE中的pos加二, 文件结构体的pos没有增加, 该pos只会在各种事件后发生改变; 因此, 标准IO与系统调用IO混用基本就会导致错误, 如ab.c:
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
putchar('a');
write(1, "b", 1);
putchar('a');
write(1, "b", 1);
putchar('a');
write(1, "b", 1);
exit(0);
}该程序会打印"bbbaaa", 可以用strace命令跟踪系统调用IO的发生:
strace ./ab该命令输出的最后几行表示系统调用IO发生的过程:
write(1, "b", 1b) = 1
write(1, "b", 1b) = 1
write(1, "b", 1b) = 1
write(1, "aaa", 3aaa) = 3
exit_group(0) = ?
+++ exited with 0 +++IO 效率问题
在重写mycpy的案例中, BUFSIZE为$2^n$, 问n为多少时, 效率最高
程序:
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <math.h>
long long BUFSIZE;
int main(int argc, char **argv)
{
int sfd, dfd;
char *buf;
ssize_t rs, ws, pos;
int flag = 1, n = 0;
if (argc < 4)
{
fprintf(stderr, "Usage: %s <src_file> <dst_file> <n>\n", argv);
exit(1);
}
n = atoi(argv);
if (n <= 0)
exit(1);
BUFSIZE = 1LL << (n-1);
buf = malloc(BUFSIZE * sizeof(char));
if (buf == NULL)
{
perror("malloc()");
exit(1);
}
sfd = open(argv, O_RDONLY);
if (sfd < 0)
{
perror("open()");
exit(1);
}
while (1)
{
rs = read(sfd, buf, BUFSIZE);
if (rs < 0)
{
perror("read()");
break;
}
if (rs == 0)
break;
pos = 0;
while (rs > 0)
{
ws = write(dfd, buf+pos, rs);
if (ws < 0)
{
perror("write()");
flag = 0;
break;
}
rs -= ws;
pos += ws;
}
if (!flag)
break;
}
close(dfd);
close(sfd);
exit(0);
}
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