APUE 学习笔记(九) 高级I/O

1. 非阻塞I/O

低速系统调用时可能会使进程永远阻塞的一类系统调用，包括以下调用：

(1)某些文件类型你(网络socket套接字、终端设备、管道)暂无可使用数据，则读操作可能会使调用者永远阻塞

(2)如果数据不能立即被(1)中文件类型接受，则写操作会使调用者永远阻塞

(3)某些进程间通信函数

 

非阻塞I/O使我们可以调用open、read、write这样的I/O操作，并使这些操作不会永远阻塞，如果这种操作不能完成，则调用立即出错返回

 

对于一个给定的文件有两种方法对其指定非阻塞I/O：

(1)调用open打开文件时，指定 O_NONBLOCK标志

(2)对于一个打开的描述符，可以调用fcntl函数，将文件设置为非阻塞I/O

 

2. fcntl记录锁

当一个进程正在读或修改文件的某个部分时，它可以组织其它进程修改同一文件区，它锁定的只是文件的一个区域(也可能是整个文件)

struct flock {
    short     l_type;      /* F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
    off_t      l_start;      /* offset in bytes, relative to l_whence */
    short     l_whence; /*  SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
    off_t      l_len;        /*  length in bytes, 0 means lock to EOF */
    pid_t     l_pid;        /*  returned with F_GETLK */
};

#include <fcntl.h>
int lock_reg(int fd, int cmd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)
{
    struct flock lock;
    lock.l_type = type;
    lock.l_start = offset;
    lock.l_whence = whence;
    lock.l_len = len;
    int ret = fcntl(fd, cmd, &lock);
    return ret;
}

如果两个进程相互等待对方持有并且锁定的资源时，则这两个进程处于死锁状态

3. select

#include <select.h>
int select(int maxfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);

中间三个参数 readfds, writefds, exceptfds是指向描述符集的指针，每个描述符集存放在一个fd_set中：

   

这三个参数指针任意一个可以为空指针，表示对相应状态并不关心。如果三个指针都是空指针，则select提供了比sleep更精确的计时器，因为sleep只能等待整数秒，

而select的struct timeval可以精确到微秒

int  FD_ISSET(int fd, fd_set* set);
void FD_CLR(int fd, fd_set* set);
void FD_SET(int fd, fd_set* set);
void FD_ZERO(fd_set* set);

select的第一个参数maxfds是三个描述符集中最大的fd数值加1，也可以将此参数设置为FD_SETSIZE，表明最大的描述符数

fd_set readset, writeset;
FD_ZERO(&readset);
FD_ZERO(&writeset);
FD_SET(0, &readset);
FD_SET(3, &readset);
FD_SET(1, &writeset);
FD_SET(2, &writeset);
select(4, &readset, &writeset, NULL, NULL);

  

因为描述符编号从0开始，所以要在最大描述符编号值加1，第一个参数实际上就是要检查的描述符数(从描述符0开始)

select有3个可能的返回值：

(1)返回值-1表示出错

(2)返回值0表示没有描述符准备好或者超时

(3)返回值为正数表示已经准备好的描述符数，该值是三个描述符集中已准备好的描述符之和，如果同一描述符已经准备好读和写，那么返回值中计为2

 

4. readn和writen

int readn(int fd, char* ptr, size_t n)
{
    size_t  nleft = n;
    int     nread = 0;
    while (nleft > 0) {
        if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {
            if (nleft == n) {
                return -1;
            } else {
                break;
            }
        } else if (nread == 0) {
            break;
        }
        nleft -= nread;
        ptr   += nread;
    }
    return n - nleft;
}

int writen(int fd, char* ptr, size_t n)
{
    size_t  nleft = n;
    int     nwrite = 0;
    while (nleft > 0) {
        if ((nwrite = write(fd, ptr, nleft)) < 0) {
            if (nleft == n) {
                return -1;
            } else {
                break;
            }
        } else if (nwrite == 0) {
            break;
        }
        nleft -= nwrite;
        ptr   += nwrite;
    }
    return n - nleft;
}

 

5. 存储映射I/O mmap

Memory-mapped I/O 使一个外存磁盘文件与内存空间中的一个缓冲区相映射，当从缓冲区中取数据，就相当于读磁盘文件中的相应字节，写情况亦如此

#include <sys/mman.h>
void* mmap(void* addr, size_t len, int prot, int flag, int fd, off_t off);

addr参数指定映射存储区的起始位置，通常设置为0，表示由内核选择该映射区的起始地址

fd指定被映射文件的描述符，len是映射的字节数，off是映射字节在文件中的起始偏移量

 

addr和off的值通常应当是系统虚拟页长度的倍数，因为addr和off常常指定为0，所以这要求一般不重要

因为映射文件的起始偏移量受系统虚拟页大小限制。假定文件长12字节，系统页长512字节，则系统通常提供512字节的映射区，其中后500字节被设置为0，对该500字节的任何修改都不会在文件中反映出来。

#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int fdin = 0;
    int fdout = 0;
    char* src = NULL;
    char* dst = NULL;
    struct stat statbuf;
    if (argc != 3) {
        fprintf(stderr, "usage: %s <fromfile> <tofile>
", argv[0]);
        return 1;
    }
    if ((fdin = open(argv[1], O_RDONLY)) < 0) {
        fprintf(stderr, "cannot open %s for reading
", argv[1]);
    }
    if ((fdout = open(argv[2], O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC)) < 0) {
        fprintf(stderr, "cannot creat %s for writing
", argv[2]);
    }
    if (fstat(fdin, &statbuf)) {
        fprintf(stderr, "fsat error
");
    }

    if (lseek(fdout, statbuf.st_size - 1, SEEK_SET) == -1) {
        fprintf(stderr, "lseek error
");
    }
    if (write(fdout, "", 1) != 1) {
        fprintf(stderr, "write error
");
    }

    if ((src = mmap(0, statbuf.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fdin, 0)) == MAP_FAILED) {
        fprintf(stderr, "mmap error for input
");
    }

    if ((dst = mmap(0, statbuf.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fdout, 0)) == MAP_FAILED) {
        fprintf(stderr, "mmap error for output
");
    }
    memcpy(dst, src, statbuf.st_size);
    munmap(src, statbuf.st_size);
    munmap(dst, statbuf.st_size);
    return 0;
}