第十章 系统级I/O
输入/输出(I/O)
: 是指主存
和外部设备
(如磁盘,终端,网络)之间拷贝数据过程。
-
高级别
I/O
函数scanf
和printf
<<
和>>
- 使用系统级
I/O
函数实现
-
系统级
I/O
函数。Q
:大多数时候高级别I/O
函数都运行良好,为什么我们还要学Unix I/O
A
:- 了解
Unix I/O
将帮助你理解其他的系统概念。- 要深入理解其他概念,必须理解
I/O
。
- 要深入理解其他概念,必须理解
- 有时你除了使用
Unix I/O
别无选择- 标准
I/O库
没有提供读取文件元数据
的方式。- 如
文件大小
或文件创建时间
。
- 如
- 用于
网络编程
十分冒险。
- 标准
- 了解
10.1 Unix I/O
-
一个
Unix 文件
就是一个m
个字节的序列:- 所有
I/O
设备都被模型化为文件
。 - 而所有的输入和输出都被当做相应文件的读和写。
- 所有
-
设备
优雅地映射成文件,允许Unix
内核引出一个简单,低级的应用接口。叫做Unix I/O
- 使得所有的输入输出都能以一种统一且一致的方式来执行。
-
打开文件: 应用程序要求内核打开文件
-
内核
返回一个小的非负整数
,叫做描述符
- 等于
内核
分配一个文件名,来标示当前的文件。 内核
记录有关这个打开文件的所有信息。应用程序只需要记住标示符。
- 等于
-
Unix
外壳创建进程时都有三个打开的文件- 标准输入(标示符
0
) - 标准输出(标示符
1
) - 标准错误(标示符
2
) - 头文件
<unistd.h>
定义了常量代替显式的描述符值STDIN_FILENO
STDOUT_FILENO
STDERR_FILENO
- 标准输入(标示符
-
-
改变当前文件的位置(非文件目录)
-
对于每个打开的文件,内核保持一个
文件位置k
- 初始为
0
。 文件位置
即是从文件开头起始的字节偏移量。
- 初始为
-
执行
lseek
操作,可以显式地设置文件位置。
-
-
读写文件。
-
一个读操作就是从文件拷贝
n
个字节到存储器,然后将k
增加到k+n
。- 给定一个大小为
m
字节的文件,当k>=m
时执行读操作会触发一个称 为end-of-file(EOF)
的条件。- 应用程序能检测到这个
条件
(或者说信号?) - 文件结尾并没有这样的符号。
- 应用程序能检测到这个
- 给定一个大小为
-
写操作
就是从存储器拷贝n
个字节到一个文件,从当前文件位置
k开始,然后更新k
。
-
-
关闭文件 :当应用程序完成了文件的访问,通知
内核
关闭文件。-
响应
内核
释放文件打开时创建的数据结构。- 将
描述符
恢复到可用的描述符池中。
-
无论一个进程因为何种原因被关闭,内核会关闭所有它打开的文件。
-
-
- 使得所有的输入输出都能以一种统一且一致的方式来执行。
10.2 打开和关闭文件
进程
是通过调用 open
函数来打开一个已存在的文件或者创建一个新文件的
#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,若出错为-1
open
函数将filename
转换为一个文件描述符
,并且返回描述符数字。
-
返回的
描述符
总是在进程当前没有打开的最小描述符
。 -
flags
参数指明了进程打算如何访问这个文件:-
可是以一个多个
掩码
的或。(拿二进制思想思考) -
O_RDONLY
: 只读 -
O_WRONLY
: 只写O_CREAT
: 如果文件不存在,就创建一个截断的(truncated)
(空)文件。O_TRUNC
: 如果文件已存在,就截断它
(长度被截为0
,属性不变)O_APPEND
: 在每次写操作前,设置文件位置到文件的结尾
-
O_RDWR
: 可读可写例子代码 //已只读模式打开一个文件 fd = Open("foo.txt",O_RDONLY,0); //打开一个已存在的文件,并在后面面添加一个数据 fd = Open("foo.txt",O_WRONLY|O_APPEND,0);
-
-
mode
参数指定了新文件
的访问权限位。-
每个进程都有
umask
权限掩码
,或权限屏蔽字
- 所有被设置的权限都要减去这个
权限掩码
才是实际权限。777-022=755
或者是777&~022
。
- 通过
umask()
函数设置
-
mode
并不是实际权限- 文件的权限位被设置为
mode & ~umask
,也可以表示两者相减。
- 文件的权限位被设置为
-
例子
#define DEF_MODE S_IRUSR|S_IWUSER|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH //所有人都能读和写 #define DEF_UMASK S_IWGRP|S_IWOTH //屏蔽了用户组的写和其他人的写 umask(DEF_UMASK); fd=oepn("foo.txt",O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,DEF_MODE); //创建了一个新文件,文件的拥有者有读写权利,其他人只有读权限。(屏蔽了用户组的写和其他人的写)
-
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。
10.3 读和写文件
调用read
和write
完成输入输出
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);
//read函数从描述符fd的当前文件位置拷贝最多n个字节到存储器buf
返回:若成功则为读的字节数,若EOF则为0,若出错为 -1.
ssize_t write(int fd,const void *buf,size_t n)
//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
返回:若成功则为写的字节数,若出错则为-1
展示了一个程序使用read
和write
调用一次一个字节的从标准输入
拷贝到标准输出
。
通过调用lseek
函数,应用程序能够显示地修改当前文件的位置
ssize_t 和 size_t 有什么区别
- size_t:被定义为
unsigned int
- ssize_t:被定义为
int
- 为了出错的时候,返回-1.
- 有趣的是,因为这个-1,使得read的最大值减小了一半。
在某些情况,read
和write
传送的字节比应用程序要求的要少,有以下原因。
这样的情况返回的值叫做不足值
。
-
读时遇到EOF。
-
从终端读文本行(
stdin
和STDIN_FILENO
)不足值
等于文本行的大小。
-
读和写网络套接字(
socket
)- 内部缓冲约束和较长的网络延迟会引起
read
和write
返回不足值。 - 你向创建健壮的诸如
Web服务器
这样的网络应用,就必须反复调用read
和write
处理不足值,知道所有需要的字节传送完毕。
- 内部缓冲约束和较长的网络延迟会引起
一般的磁盘文件除了EOF
外,一般不会遇到不足值的问题。
10.4 用RIO包健壮地读
RIO
包: 全称 Robust I/O
包,健壮的I/O
包。会自动的处理上文中所述的不足值
。
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,没有应用级缓冲。
- 他们对二进制读写到网络和从网络读写二进制数据尤其有用。
-
带缓冲的输入函数
- 允许你高效地从文件中读取文本行和二进制数据。
- 这些文件内容
缓存
到应用级缓冲区内。
-
带缓冲的
RIO
输入函数是线程安全
的,在同一个描述符可以交错调用
10.4.1 RIO的无缓冲的输入输出函数
- 与普通
read
,write
区别- 在读写
网络套接字
的时候不会产生不足值
- 即
rio_writen
不可能返回不足值
- 即
- 线程安全的。
- 当
wirte
,read
被应用信号处理程序的返回中断时,允许手动重启。
- 在读写
源代码
10.4.2 RIO的带缓冲的输入函数
一个文本行
就是由一个换行符结尾的ASCII
码字符序列。
- 在Unix系统里,换行符(
LF
相等,数字值为0x0a
rio_readnb和rio_readlineb 引入
假设我们要编写一个程序计算文本文件中文本行的数量如何实现?
-
方案1:
read
函数一次一个字节地从文件传送到用户存储器,检查每个字节来查找换行符。- 效率低,每读取文件中的一个字符都要求陷入内核。
-
更好的方法是调用一个包装函数
rio_readlineb
。-
它从一个内部
读缓冲区
拷贝一个文本行。- 当缓冲区变空时,会调用
read
重新填满缓冲区。
- 当缓冲区变空时,会调用
-
为什么这样子更快?
- 利用了空间局部性原理
-
-
使用
rio_readn
的带缓冲区版本rio_readnb
.- 对于即包含文本行也包含二进制数据的文件(例如 11.5.3节会提到的
HTTP
响应). - 和
rio_readlineb
一样的读缓冲区中传送原始字节。
- 对于即包含文本行也包含二进制数据的文件(例如 11.5.3节会提到的
rio_readinitb 和 rio_readnb,rio_readlineb 实例
每打开一个描述符
都要调用一次rio_readinitb
函数。
- 它将描述符
fd
和 地址rp
处的一个类型为rio_t
的读缓冲区联系起来。
-
rio_readlineb(&rio,buf,MAXLINE)
函数rio_readlineb
函数从rio
(缓冲区)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buf
,并用