第十章 系统级I/O
一、知识点总结
（一）Unix I/O
Unix I/O：简单低级的应用接口，使所有输入输出都以统一的方式执行。
- 打开文件。一个应用程序通过要求内核打开相应文件，来宣告它想要访问一个I/O设备，内核返回描述符（小的非负整数）。每个进程开始时都有三个打开的文件：标准输入（描述符为0）、标准输出（描述符为1）、标准错误（描述符为2）。
- 改变当前的文件位置。每个打开的文件内核保持着一个文件位置k，初始为0。
- 读写文件。读操作就是从文件拷贝n>0个字节到存储器，从当前文件位置k开始将k增加到k+n。
- 关闭文件。将描述符恢复到可用的描述池中。
（二）打开和关闭文件
1. open：进程通过调用open函数来打开一个已存在的文件或创建一个新文件。
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int open(char *filename, int flags, mode_t mode);
返回：若成功则为新文件描述符，若出错则为-1。
open函数将filename转换为一个文件描述符，并返回描述符数字。返回的描述符是在进程中当前没有打开的最小描述符。
flags参数指明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
以只读的方式打开一个已存在的文件：
fd = Open("foo.txt, O_RDONLY, 0");
打开一个已存在的文件，并在后面添加一些数据：
fd = Open("foo.txt, O_WRONLY|O_APPEND, 0");
2. close：进程通过调用close函数关闭一个打开的文件。
#include<unistd.h>
int close(int fd);
返回：若成功则为0，若出错则为-1。
关闭一个已关闭的描述符会出错。
（三）读和写文件
1. read和write函数：应用程序通过分别调用read和write函数来执行输入和输出。
#include<unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);
返回：若成功则为读的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1。
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);
返回：若成功则为写的字节数，若出错则为-1。
- read函数从描述符为fd的当前位置拷贝最多n个字节到存储器位置buf。
- write函数从存储器位置buf拷贝至多n个字节到描述符fd的当前文件位置。
注："csapp.h"是《深入理解计算机系统》这本书写的头文件，运行代码时需要将该头文件下载并移到/usr/include中。
2. lseek函数：应用程序调用lseek函数能显式地修改当前文件的位置。
3. ssize_ t 和 size_t 的区别
- size_t：read函数的输入参数，定义为unsigned int
- ssize_t：read函数的返回值，定义为int。因为出错时必须返回-1。
4. 不足值：read和write传送的字节比应用程序要求的少。出现原因如下：
- 读取时遇到EOF
- 从终端读取文本行
- 读和写网络套接字
实际上除了EOF，读取磁盘文件时不会遇到不足值，而且在写磁盘文件时也不会遇到不足值。
（四）用RIO包健壮地读写
1. RIO包：自动处理不足值，提供两类不同的函数
- 无缓冲的输入输出函数：直接在存储器和文件之间传送数据。
- 带缓冲的输入函数：高效地从文件中读取文本行和二进制数据。
2. RIO的无缓冲的输入输出函数
应用程序通过调用rio_ readn和rio_ writen函数可以在存储器和文件之间直接传送数据。
#include"csapp.h"
ssize_ t rio_ readn(int fd, void *usrbuf, size_t n);
ssize_ t rio_ writen(int fd, void *usrbuf, size_t n);
返回：若成功则为传送的字节数，若EOF则为0（只对rio_ readn而言），若出错则为-1。
rio_ readn函数从描述符fd的当前文件位置最多传送n个字节到存储器位置usrbuf。rio_ writen函数从存储器位置usrbuf传送n个字节到描述符fd。
3. RIO的带缓冲的输入函数
一个文本行就是一个由换行符结尾的ASCII码字符序列。
调用包装函数rio_ readlineb,从一个内部读缓冲区拷贝一个文本行，当缓冲区变空时会自动调用read重新填满缓冲区。
#include"csapp.h"
void rio_ readlineb(rio_t *rp, int fd);
ssize_ t rio_ readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen);
ssize_ t rio_ readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n);
返回：若成功则为读的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1。
- rio_ readlineb函数从文件rp读出一个文本行（包括结尾的换行符），将它拷贝到存储器位置usrbuf，并用空（零）字符结束这个文本行。rio_ readlineb函数最多读maxlen-1个字节，余下一个字符留给结尾的空字符。
- rio_ readnb函数从文件rp最多读n个字节到存储器位置usrbuf。对同一描述符，对rio_ readlineb和rio_ readnb的调用可以任意交叉进行。
rio_ readlineb和rio_ readnb函数：
（五）读取文件元数据
1. 应用程序能通过调用stat和fstat函数检索到关于文件的信息（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);
返回：若成功则为0，若出错则为-1。
2. stat数据结构成员：st_ mode、st_ size……
st_ size成员包含了文件的字节数大小，st_ mode成员编码了文件访问许可位和文件类型。
（六）共享文件
1. 内核用三个相关的数据结构来表示打开的文件：
- 描述符表
- 文件表
- v-node表
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。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。
调用fork后，子进程有一个父进程描述符表的副本，共享相同的文件位置。在内核删除相应文件表项之前，父子进程必须都关闭它们的描述符。
（七）I/O重定向
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。I/O重定向可使用dup2函数工作。
#include<unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);
返回：若成功则为非负的描述符，若出错则为-1。
dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到描述符表表项newfd，覆盖描述符表表项newfd以前的内容。如果newfd已经打开了，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd。
（八）标准I/O
标准I/O库提供打开和关闭文件的函数（fopen和fclose）、读和写字节的函数（fread和fwrite）、读和写字符串的函数（fgets和fputs），以及复杂的格式化的I/O函数（scanf和printf）。
（九）综合
1. 标准I/O流某种意义上而言是全双工的，因为程序能够在同一个流上执行输入和输出。
2. 对流的限制和对套接字的限制：
- 跟在输出函数之后的输入函数。如果中间没有插入对fflush、fseek、fsetpos或者rewind的调用，一个输入函数不能跟在一个输出函数之后。
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跟在输入函数之后的输出函数。如果中间没有插入对fseek、fsetpos或者rewind的调用，一个输出函数不能跟在一个输入函数之后，除非该输入函数遇到了一个EOF。
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Unix I/O、标准I/O和RIO之间的关系
二、参考资料
- 《深入理解计算机系统》
- 《嵌入式Linux应用程序开发标准教程》
三、心得体会
通过对本章系统级I/O的学习，我了解到Unix内核引出的应用接口I/O的基本功能和使用方法，它允许应用程序打开、关闭、读和写文件、提取文件的元数据，以及执行I/O重定向。同时，这一章还为我们随后学习网络编程和并发性奠定坚实的基础。不过我在运行本章代码时遇到了无法编译的情况，是因为“csapp.h”这个头文是教材编写的，C语言库中没有。我在博客园小组中也看到了这个提问，但在引入了头文件csapp.h后我仍是遇到了可以编译但是无法运行出结果这个问题，希望老师能为我们进一步解答一下。谢谢老师！