文件I/O

参考资料：W.Richard Stevens《UNIX环境高级编程》第4章、文件和目录

《从实践中学嵌入式linux应用程序开发》（华清远见嵌入式学院）第2章、嵌入式文件和I/O编程

资料下载：http://www.kuaipan.cn/file/id_43409466388906160.htm（http://download.csdn.net/detail/klcf0220/7058427）

• 文件描述符

    对于linux而言，所有对设备和文件的操作都是使用文件描述符来进行的。文件描述符是一个非负的整数，它是一个索引值，并指向在内核中每个进程打开文件的记录表。当打开一个现存文件或者创建一个新文件时，内核就像进程返回一个文件描述符；当需要读写文件时，也需要把文件描述符作为参数传递给相应的函数。

    通常，一个进程启动时，都会打开3个文件：标准输入、标准输出和标准错误处理。这3个文件分别对应文件描述符为0、1和2（也就是宏替换STDIN_FILENO,STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO，鼓励用宏替换）

• 底层文件I/O操作

       不带缓存的文件I/O 操作，主要用到5 个函数：open、read、write、lseek和close。这里的不带缓存是指每一个函数都只调用系统中的一个函数（不理解这句话的含义）。这些函数虽然不是ANSI C的组成部分，但是是POSIX 的组成部分。                           

使用实例：(从一个文件中读取最后10KB数据并复制到另一个文件中）

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>

#define BUFFER_SIZE 1024
#define SRC_FILE_NAME "src_file"
#define DEST_FILE_NAME "dest_file"
#define OFFEST 10240

int main()
{
        int src_file,dest_file;
        unsigned char buff[BUFFER_SIZE];
        int real_read_len;

        src_file = open(SRC_FILE_NAME,O_RDONLY);

        dest_file = open(DEST_FILE_NAME,O_WRONLY|O_CREAT,S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IROTH);

        if(src_file < 0 || dest_file < 0)
        {
                printf("open file error.\n");
                exit(1);
        }

        //将源文件的读写指针移到最后10KB的起始位置
        lseek(src_file,-OFFEST,SEEK_END);

        //读取源文件的最后10KB数据并写到目标文件中，每次读写1KB
        while((real_read_len = read(src_file,buff,sizeof(buff))) > 0)
        {
                write(dest_file,buff,real_read_len);
        }
        close(src_file);
        close(dest_file);

        return 0;
}

• 文件锁

fcntl()函数

当多个用户共同使用、操作一个文件的时候，Linux通常采用的方法是给文件上锁，来避免共享的资源产生竞争的状态。

文件锁包括建议性锁和强制性锁。

在linux中，实现文件上锁的函数有lockf()和fcntl()，lockf()用于对文件施加建议性锁，而fcntl()不仅可以施加建议性锁，还可以施加强制性锁。同时，fcntl()还能对文件的每一记录上锁，也就是记录锁。

记录锁又可以分为读取锁和写入锁，其中读取锁又称为共享锁，写入锁又称为排斥锁。在文件的同一部分不能同时建立读取锁和写入锁。

fcntl()使用实例：

/*lock_set.c*/
int lock_set(int fd,int type) 
{
        struct flock old_lock,lock;
        lock.l_whence = SEEK_SET;
        lock.l_start = 0;
        lock.l_len = 0; 
        lock.l_type = type;
        lock.l_pid = -1;

        //判断文件是否可以上锁
        fcntl(fd,F_GETLK,&lock);
        if(lock.l_type != F_UNLCK)
        { 
                //判断文件不能上锁的原因
                if(lock.l_type == F_RDLCK)
                {
                        printf("read lock already set by %d\n",lock.l_pid);
                }
                else if(lock.l_type == F_WRLCK)
                {
                        printf("write lock already set by %d\n",lock.l_pid);
                }
       //l_type可能已被F_GETLK修改过
        lock.l_type = type;

        //根据不同的type值进行阻塞式上锁或解锁
        if((fcntl(fd,F_SETLKW,&lock))<0)
        {
                printf("lock failed:type = %d\n",lock.l_type);
                return 1;
        }

        switch(lock.l_type)
        {
                case F_RDLCK:
                {
                        printf("read lock set by %d\n",getpid());
                }
                break;
                case F_WRLCK:
                {
                        printf("write lock set by %d\n",getpid());
                }
                break;
                case F_UNLCK:
                {
                        printf("release lock by %d\n",getpid());
                        return 1;
                }
                break;
                default:
                break;
        }
        return 0;
}

/*write_lock.c*/
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/file.h>
#include "lock_set.c"

int main(void)
{
        int fd;
        
        fd = open("hello",O_RDWR|O_CREAT,0644);
        if(fd < 0)
        {
                printf("open file error\n");
                exit(1);
        }

        //给文件上写入锁
        lock_set(fd,F_WRLCK);
        getchar();

        //给文件解锁
        lock_set(fd,F_UNLCK);
        getchar();
        close(fd);
        exit(0);
}

用多个终端运行./write_lock可以得出：写入锁为互斥锁，同一时刻只能由一个写入锁存在。

/*read_lock.c*/
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/file.h>
#include "lock_set.c"

int main(void)
{
        int fd;
        
        fd = open("hello",O_RDWR|O_CREAT,0644);
        if(fd < 0)
        {
                printf("open file error\n");
                exit(1);
        }

        //给文件上写入锁
        lock_set(fd,F_RDLCK);
        getchar();

        //给文件解锁
        lock_set(fd,F_UNLCK);
        getchar();
        close(fd);
        exit(0);
}

用多个终端运行./read_lock可以得出：读取锁为共享锁，同一时刻可以有多个读取锁存在。

• I/O多路复用

在经典的《Unix网络编程第1卷》Chapter 6中作者详细介绍了五种I/O模型，分别为：
- blocking I/O
- nonblocking I/O
- I/O multiplexing (select and poll)
- signal driven I/O (SIGIO)
- asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)

关于I/O模型可以参考http://www.cnblogs.com/leealways87/archive/2012/08/24/2654946.html

IO多路复用—select()可以参考http://www.cnblogs.com/ggjucheng/archive/2012/01/17/2324859.html

• 标准I/O编程

/*用标准IO库函数编写一个文件test.tx，每隔一秒向文件中写入一行数据，类似这样：
1. 2007-7-30 15:16:42
2. 2007-7-30 15:16:43
该程序应该无限循环，直到强制中断该进程为止（比如按Ctrl+C中断程序），下次再开启动程序写文件时应该将系统时间追加到源文件之后，并且序号能够接续上次的序号，比如：
3. 2007-7-30 15:19:04
4. 2007-7-30 15:19:05
5. 2007-7-30 15:19:06*/

#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>

int main(void)
{
    FILE *fp_time, *fp_line;
    int n = 0;
    fp_time = fopen("test.txt", "a");
    //setvbuf(fp_time, _IONBF, NULL, 0);
    if(access("line", F_OK)) // doesnot exist
    {
        fp_line = fopen("line", "w");
    }
    else
    {
        fp_line = fopen("line", "r+");
        fread(&n, sizeof(int), 1, fp_line);
    }
    
    char s[100];
    time_t t;
    while(1)
    {
        time(&t);
        bzero(s, 100);
        snprintf(s, 100, "%d.\t", ++n);
        snprintf(s+strlen(s), 100-strlen(s), "%s", ctime(&t));
        fputs(s, fp_time);
        fflush(fp_time);
        fseek(fp_line, 0, SEEK_SET); // rewind(fp_line);
        fwrite(&n, sizeof n, 1, fp_line);
        fflush(fp_line);

        sleep(1);

    }
}