[Linux]APUE读书笔记：File I/O

文件描述符：

1. 进程通过文件描述符来操作文件，文件描述符可以通过open, openat, creat系统调用返回;
2. shell和其他应用默认打开标准输入(STDIN_FILENO),标准输出(STDOUT_FILENO),标准错误(STDERR_FILENO)三个文件描述符。

open和openat函数：

1. 文件可以通过调用open或者openat函数打开或者创建；
2.  新文件描述符使用最小未使用原则；
3. TOCTTOU(time of check of time of use)的基本含义：程序是脆弱的，如果它调用两个基于文件的函数，并且后一个调用依赖于前一个调用的结果。因为这两个调用不是原子操作，在两个调用之间文件是可以被改变的，导致前一个调用的结果失效，错误发生。

creat函数：

1. creat函数以只写的方式创建文件；
2. creat函数完全可以用open函数代替：open(path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode)。

lseek函数：
　　1. 用于显式指定被打开文件的偏移量，返回当前文件的新偏移量;
　　2. 测试标准输入是否可以seek:

#include "apue.h"

int main(void)
{
    if (lseek(STDIN_FILENO, 0, SEEK_CUR) == -1) {
        printf("canot seek
");
    }
    else {
        printf("seek OK
");
    }
    exit(0);
}

　　3. 由于文件当前偏移量可能为负数，lseek的返回值应该和 -1 比较，而不是测试是否小于0；
　　4. 设置的当前文件偏移量大于文件长度时，文件中允许形成空洞，空洞不需要存储空间来存储；
　　5. 在文件中创建一个空洞：

#include "apue.h"
#include <fcntl.h>

char buf1[] = "abcdefghij";
char buf2[] = "ABCDEFGHIJ";

int main(void)
{
    int fd;

    if ((fd = creat("file.hole", FILE_MODE)) < 0) {
        err_sys("creat error");
    }

    if (write(fd, buf1, 10) != 10) {
        err_sys("buf1 write error");
    }
    /*offset now = 10*/

    if (lseek(fd, 16384, SEEK_SET) == -1) {
        err_sys("lseek error");
    }
    /*offset now = 16384*/

    if (write(fd, buf2, 10) != 10) {
        err_sys("buf2 write error");
    }

    exit(0);
}

read/write函数：

1. read函数被用于从打开的文件中读取数据，返回读取的字节数；
2. write函数被用于向打开的文件中写数据，返回写入的字节数；

I/O效率：
　　1. 利用缓冲将标准输入复制到标准输出：

#include "apue.h"

#define BUFFSIZE 4096

int main(void)
{
    int n;
    char buf[BUFFSIZE];

    while ((n = read(STDIN_FILENO, buf, BUFFSIZE)) > 0) {
        if (write(STDOUT_FILENO, buf, n) != n) {
            err_sys("write error");
        }
    }
    if (n < 0) {
        err_sys("read error");
    }

    exit(0);
}

　　2. Linux ext4文件系统，块大小是4096，缓冲大小最佳值是4096。
文件共享：
　　1. 内核使用三个数据结构表示打开的文件：

• 每个进程在进程表中都有一个记录项，记录项中包含一张打开文件描述符的表，与每个文件描述符相关联的是：文件描述符标志和指向文件表项的指针；
• 内核维护一张所有已打开文件的文件表，每个文件表包括：文件状态标志，当前偏移量，指向文件V节点表项的指针；
• 每个已打开文件(或者设备)都有一个V节点结构，Linux只有i节点；

原子操作：

1. 任何需要多个函数的操作都不是原子操作；
2. 调用pread相当于调用lseek后再调用read, 调用pwrite相当于调用lseek后再调用write,但是调用pread/pwrite是原子操作，且当前文件偏移量不更新；

dup和dup2函数：

1. 一个已经存在的文件描述符可以用dup和dup2复制；
2. dup返回最小可用文件描述符，dup2用fd2指定新文件描述符，如果fd2已经打开，则先关闭，如果fd2和fd1相等，则直接返回fd2不关闭它；
3. dup/dup2总是清除新文件描述的close-on-exec标志；
4. dup(fd)/fcntl(fd, F_DUPFD, 0),dup2(fd1, fd2)/close(fd2);fcntl(fd, F_DUPFD, fd2);

sync, fsync和fdatasync函数：

1. sysc函数只将所有修改过的缓冲块排在写队列，然后返回，不等写磁盘发生；
2. fsync只对fd单一文件起作用，它等磁盘写完成后再返回；
3. fdatasync和fsync类似，但是它不同步更新文件属性，fsync同步更新；

fcntl函数：
　　1. fcntl函数可以改变一个已打开文件的属性；
　　2. fcntl函数有5种不同功能：

• 复制一个已经存在的描述符(cmd = F_DUPFD or F_DUPFD_CLOEXEC)；
• 获取/设置文件描述符标志(cmd = F_GETFD or F_SETFD);
• 获取/设置文件状态标志(cmd = F_SETFL or F_GETFL);
• 获取/设置异步I/O所有权(cmd = F_GETOWN or F_SETOWN);
• 获取/设置记录锁(cmd = F_GETLK, F_SETLK, F_SETLKW);

　　3. 打印具体描述符的文件标志:

#include "apue.h"
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int val;
    if (argc != 2) {
        err_quit("usage: a.out <descriptor#>");
    }

    if ((val = fcntl(atoi(argv[1]), F_GETFL, 0)) < 0) {
        err_sys("fcntl error for fd %d", atoi(argv[1]));
    }
    switch(val & O_ACCMODE) {
    case O_RDONLY:
        printf("read only");
        break;
    case O_WRONLY:
        printf("write only");
        break;
    case O_RDWR:
        printf("read write");
        break;
    default:
        err_dump("unknow access mode");
    }
    if (val & O_APPEND) {
        printf(",append");
    }
    if (val & O_NONBLOCK) {
        printf(",nonblocking");
    }
    if (val & O_SYNC) {
        printf(",synchronous writes");
    }
#if !defined(_POSIX_C_SOURCE) && defined(O_FSYNC) && (O_FSYNC != O_SYNC)
    if (val & O_FSYNC) {
        printf(",synchronous writes");
    }
#endif
    putchar('
');

    exit(0);
}

　　4. 打开文件描述符的一个或者多个文件状态标志:

#include "apue.h"
#include <fcntl.h>

void set_fl(int fd, int flags)
{
    int val;
    if ((val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0) {
        err_sys("fcntl F_GETFL error");
    }
    val |= flags;
    if (fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0) {
        err_sys("fcntl F_SETFL error");
    }
}

ioctl函数：

1. ioctl函数是I/O操作的万能工具，尤其是对终端设备；

/dev/fd:

1. 假如n是打开的，打开/dev/fd/n相当于复制描述符n;