Linux檔案I/O：原理與方法

文件是Linux系統中最基本和最常用的資料儲存方式，它們可以是文字文件，二進位文件，設備文件，目錄文件等。檔案的讀寫是Linux程式設計中最重要的操作之一，它涉及到檔案描述符，緩衝區，系統調用，庫函數等概念。在本文中，我們將介紹Linux檔案I/O的基本原理和方法，包括打開，關閉，讀取，寫入，定位，截斷，同步等操作，並舉例說明它們的使用方法和注意事項。

#檔案描述子(File Descriptor)

a small, nonnegative integer for use in subsequent system calls (read(2), write(2), lseek(2), fcntl(2), etc.) ($man 2 open). 當一個程式開始執行時一般會有3個已經開啟的檔案描述子:

• 0 :STDIN_FIFLENO,標準輸入stdin
• # 1 :STDOUT_FILENO,標準輸出stdout
• # 2 :STDERR_FILENO,標準錯誤stderror

#fd原理

• fd從0開始, 找出最小的未被使用的描述符, 把文件表指標與文件表描述符建立對應關係(VS pid是一直向上漲，滿了再回來找)
• # 文件描述符就是一個int, 用來代表一個打開的文件, 但是文件的管理資訊不能夠不是存放在文件描述符中,當使用open()函數打開一個文件時, OS會將文件的相關信息加載到文件表等資料結構中, 但出於安全和效率等因素的考慮, 文件表等資料結構並不適合直接操作, 而是給該結構指定一個編號, 使用編號來進行操作, 該編號就是文件描述符
• OS會為每個進程內部維護一張檔案描述符總表, 當有新的檔案描述子需求時, 會去總表中查找最小的未被使用的描述符返回, 文件描述符雖然是int類型,但其實是非負整數, 也就是0~OPEN_MAX(當前系統中為1024), 其中0,1,2已被系統佔用,分別表示stdin, stdout,stderror
• # 使用close()關閉fd時, 就是將fd和文件表結構之間的對應關係從總表中移除, 但不一定會刪除文件表結構, 只有當文件表沒有與其他任何fd對應時(也就是一個文件表可以同時對應多個fd)才會刪除文件表, close()也不會改變文件描述符本身的整數值, 只會讓該文件描述符無法代表一個文件而已
• duplicate fdVS copy fd:dup是把old_fd對應的檔案表指標複製到new_fd, 而不是int new_fd=old_fd
• UNIX使用三種資料結構描述開啟的檔案：每個行程中用來描述目前行程開啟檔案的檔案描述子表，表示目前檔案狀態的檔案狀態識別表，和用於找到檔案i節點（索引節點）的V節點表，Linux中並不使用這種Vnode結構，取而代之的是一種通用的inode結構，但本質沒有區別，inode是在讀取檔案時透過檔案系統從磁碟匯入的檔案位置
  

檔案描述標誌（File Descriptor Flag)

#當下的系統只有一個檔案描述符標誌close-on-exec，只是一個標誌，當進程fork一個子進程的時候，在子進程中呼叫了exec函數時就用到了該標誌。意義是執行exec前是否要關閉這個檔案描述符。

• 一般我們會呼叫exec執行另一個程序，此時會用全新的程序取代子進程的正文，數據，堆和棧等。此時保存檔案描述符的變數當然也不存在了，我們就無法關閉無用的檔案描述符了。所以通常我們會fork子程序後在子程序中直接執行close關掉無用的檔案描述符，然後再執行exec。但在複雜系統中，有時我們fork子程序時已經不知道打開了多少個檔案描述符（包括socket句柄等），此時進行逐一清理確實有很大難度。我們期望的是能在fork子程序前開啟某個檔案句柄時就指定好:這個句柄我在fork子程序後執行exec時就關閉」。所以就有了 close-on-exec
• # 每個檔案描述符都有一個close-on-exec標誌。在系統預設情況下，這個標誌最後一位被設定為0。即關閉了此標誌。那麼當子進程呼叫exec函數，子進程將不會關閉該檔案描述子。此時，父子程序將共享該文件，它們具有同一個文件表項，也就有了同一個文件偏移量等。
• fcntl()的FD_CLOEXEC和open()的O_CLOEXEC用來設定檔案的close-on-exec，當close-on-exec標誌置為1時，即開啟此標誌, 此時子程序呼叫exec函數之前，系統就已經讓子程序將此檔案描述子關閉。

Note:雖然新版本支援在open時設定CLOEXEC，但在編譯的時候還是會提示錯誤 – error: ‘O_CLOEXEC’ undeclared (first use in this function)。這個功能需要設定巨集(_GNU_SOURCE)開啟。

#define _GNU_SOURCE //在源代码中加入   

-D_GNU_SOURCE   //在编译参数中加入  

檔案狀態標誌(File Status Flag)

#File status flags 用來表示開啟檔案的屬性，file status flag可以透過duplicate一個檔案描述子來共用同一個開啟的檔案的狀態，而file descrptor flag則不行

• Access Modes: 指明檔案的access方式：read-only， write-only，read-write。透過open()設置，透過fcntl()返回，但不能被改變
• #Open-time Flags: 指明在open()執行的時候的操作，open()執行完畢這個flag不會被保存
• Operating Modes: 影響read，write操作，透過open()設置，但可以用fcntl()讀取或改變

open()

//给定一个文件路径名，按照相应的选项打开文件，就是将一个fd和文件连接到一起，成功返回文件描述符，失败返

回-1设errno
#include
int open(const char *pathname, int flags)
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode)//不是函数重载,C中没有重载, 是可变长参数列

表

//pathname:文件或设备路径
//flags :file status flags=Access mode+Open-time flags+Operating Modes、
/*Access Mode(必选一个):
O_RDONLY：0
O_WRONLY：1
O_RDWR：2
*/
/*Open-time Flags(Bitwise Or):
O_CLOEXEC   ：为新打开的文件描述符使能close-on-exec。可以避免程序再用fcntl()的F_SETFD来设置

FD_CLOEXEC
O_CREAT     ：如果文件不存在就创建文件，并返回它的文件描述符，如果文件存在就忽略这个选项，必须在保护模式

下使用，eg：0664
O_DIRECTORY ：如果opendir()在一个FIFO或tape中调用的话，这个选项可以避免denial-of-service问题，  如

果路径指向的不是一个目录，就会打开失败。
O_EXCL      ：确保open()能够穿件一个文件，如果文件已经存在，则会导致打开失败，总是和O_CREAT一同使用。
O_NOCTTY    ：如果路径指向一个终端设备，那么这个设备不会成为这个进程的控制终端，即使这个进程没有一个控制

终端
O_NOFOLLOW  ：如果路径是一个符号链接，就打开它链接的文

件//If pathname is a symbolic link, then the open fails.

O_TMPFILE   ：创建一个无名的临时文件，文件系统中会创建一个无名的inode，当最后一个文件描述符被关闭的时

候，所有写入这个文件的内容都会丢失，除非在此之前给了它一个名字
O_TRUNC     ：清空文件
O_TTY_INIT
*/
/*Operating Modes(Bitwise Or)
O_APPEND    ：以追加的方式打开文件, 默认写入结尾，在当下的Unix/Linux系统中，这个选项已经被定义为一个原

子操作  
O_ASYNC     ：使能signal-driven I/O

O_DIRECT    ：试图最小化来自I/O和这个文件的

cache effect//Try to minimize cache effects of the I/O to and from this  file.
O_DSYNC     ：每次写操作都会等待I/O操作的完成，但如果文件属性的更新不影响读取刚刚写入的数据的话，就不会

等待文件属性的更新    。
O_LARGEFILE ：允许打开一个大小超过off_t(但没超过off64_t)表示范围的文件
O_NOATIME   ：不更改文件的st_time(last access time)
O_NONBLOCK /O_NDELAY ：如果可能的话，用nonblock模式打开文件
O_SYNC      ：每次写操作都会等待I/O操作的完成，包括write()引起的文件属性的更新。
O_PATH      ：获得一个能表示文件在文件系统中位置的文件描述符
#include
#include
int fd=open("b.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL,0664);
if(-1==fd)
    perror("open"),exit(-1);

FQ:Why Bitwise ORed:
FA:猜想有以下模型:用一串某一位是1其餘全是0的字串表示一個選項,選項作「位元與」就可得到0/1字串, 表示整個flags的狀態, Note: 低三位表示Access Mode

creat()

#等價於以O_WRONLY |O_TRUNC|O_CREAT的flag呼叫open()

#include
int creat(const char *pathname, mode_t mode);

dup()、dup2()、dup3()

//复制一个文件描述符的指向，新的文件描述符的flags和原来的一样，成功返回new_file_descriptor, 失败返

回-1并设errno
#include 
int dup(int oldfd);             //使用未被占用的最小的文件描述符编号作为新的文件描述符

int dup2(int oldfd, int newfd);
#include       
#include 
int dup3(int oldfd, int newfd, int flags);
#include
#include
int res=dup2(fd,fd2);
if(-1==res){
        perror("dup2"),exit(-1);

read()

//从fd对应的文件中读count个byte的数据到以buf开头的缓冲区中，成功返回成功读取到的byte的数目，失败返回-1设errno
#include 
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
#include 
#include
int res=read(fd,buf,6);
if(-1==fd)
    perror("read"),exit(-1);

write()

//从buf指向的缓冲区中读取count个byte的数据写入到fd对应的文件中，成功返回成功写入的byte数目，文件的位置指针会向前移动这个数目，失败返回-1设errno
#include 
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);//不需要对buf操作, 所以有const, VS read()没有const
#include 
#include
int res=write(fd,"hello",sizeof("hello"));
if(-1==res)
    perror("write"),exit(-1);

Note: 上例中即使只有一个字符’A’,也要写”A”,因为”A”才是地址,’A’只是个int

lseek()

l 表示long int, 历史原因

//根据移动基准whence和移动距离offset对文件的位置指针进行重新定位，返回移动后的位置指针与文件开头的距离，失败返回-1设errno
#include 
#include 
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
/*whence:
SEEK_SET：以文件开头为基准进行偏移，0一般不能向前偏
SEEK_CUR：以当前位置指针的位置为基准进行偏移，1向前向后均可
SEEK_END：以文件的结尾为基准进行偏移，2向前向后均可向后形成”文件空洞”
#include
#include
int len=lseek(fd,-3,SEEK_SET);
if(-1==len){
        perror("lseek"),exit(-1);

fcntl()

//对fd进行各种操作，成功返回0,失败返回-1设errno
#include 
#include 
int fcntl(int fd, int cmd, ... );       //...表示可变长参数
/*cmd:
Adversory record locking:
F_SETLK(struct flock*)  //设建议锁
F_SETLKW(struct flock*) //设建议锁，如果文件上有冲突的锁，且在等待的时候捕获了一个信号，则调用被打断并在信号捕获之后立即返回一个错误，如果等待期间没有信号，则一直等待 
F_GETLK(struct flock*)  //尝试放锁，如果能放锁，则不会放锁，而是返回一个含有F_UNLCK而其他不变的l_type类型，如果不能放锁，那么fcntl()会将新类型的锁加在文件上，并把当前PID留在锁上
Duplicating a file descriptor:
F_DUPFD (int)       //找到>=arg的最小的可以使用的文件描述符，并把这个文件描述符用作fd的一个副本
F_DUPFD_CLOEXEC(int)//和F_DUPFD一样，除了会在新的文件描述符上设置close-on-exec
F_GETFD (void)      //读取fd的flag，忽略arg的值
F_SETFD (int)       //将fd的flags设置成arg的值.
F_GETFL (void)      //读取fd的Access Mode和其他的file status flags; 忽略arg
F_SETFL (long)      //设置file status flags为arg
F_GETOWN(void)      //返回fd上接受SIGIO和SIGURG的PID或进程组ID
F_SETOWN(int)       //设置fd上接受SIGIO和SIGURG的PID或进程组ID为arg
F_GETOWN_EX(struct f_owner_ex*) //返回当前文件被之前的F_SETOWN_EX操作定义的文件描述符R
F_SETOWN_EX(struct f_owner_ex*) //和F_SETOWN类似，允许调用程序将fd的I/O信号处理权限直接交给一个线程，进程或进程组
F_GETSIG(void)      //当文件的输入输出可用时返回一个信号
F_SETSIG(int)       //当文件的输入输出可用时发送arg指定的信号
*/

/*…:    
可选参素，是否需要得看cmd，如果是加锁，这里应是struct flock*
struct flock {
    short l_type;   //%d Type of lock: F_RDLCK(读锁), F_WRLCK(写锁), F_UNLCK(解锁)
    short l_whence; //%d How to interpret l_start, 加锁的位置参考标准:SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END
    off_t l_start;  //%ld Starting offset for lock,     加锁的起始位置
    off_t l_len;    //%ld Number of bytes to lock , 锁定的字节数
    pid_t l_pid;    // PID of process blocking our lock, (F_GETLK only)加锁的进程号,,默认给-1
};
*/

建议锁(Adversory Lock)

限制加锁,但不限制读写, 所以只对加锁成功才读写的程序有效,用来解决不同的进程 同时对同一个文件的同一个位置 “写”导致的冲突问题
读锁是一把共享锁(S锁):共享锁+共享锁+共享锁+共享锁+共享锁+共享锁
写锁是一把排他锁(X锁):永远孤苦伶仃

释放锁的方法(逐级提高):

• 将锁的类型改为:F_UNLCK, 再使用fcntl()函数重新设置
• close()关闭fd时, 调用进程在该fd上加的所有锁都会自动释放
• 进程结束时会自动释放所有该进程加过的文件锁

Q:为什么加了写锁还能gedit或vim写???

A:可以写, 锁只可以控制能否加锁成功, 不能控制对文件的读写, 所以叫”建议”锁, 我加了锁就是不想让你写, 你非要写我也没办法. vim/gedit不通过能否加锁成功来决定是否读写, 所以可以直接上

Q: So如何实现文件锁控制文件的读写操作????

A:可以在读操作前尝试加读锁, 写操作前尝试加写锁, 根据能否加锁成功决定能否进行读写操作

int fd=open("./a.txt",O_RDWR);                  //得到fd
if(-1==fd)
    perror("open"),exit(-1);
struct flock lock={F_RDLCK,SEEK_SET,2,5,-1};    //设置锁   //此处从第3个byte开始(包含第三)锁5byte
int res=fcntl(fd,F_SETLK,&lock);                //给fd加锁
if(-1==res)
    perror("fcntl"),exit(-1);

ioct1()

这个函数可以实现其他文件操作函数所没有的功能，大多数情况下都用在设备驱动程序里，每个设备驱动程序可以定义自己专用的一组ioctl命令，系统则为不同种类的设备提供通用的ioctl命令

//操作特殊文件的设备参数，成功返回0,失败返回-1设errno
#include 
int ioctl(int d, int request, ...);
//d：an open file descriptor.
//request： a device-dependent  request  code

close()

//关闭fd，这样这个fd就可以重新用于连接其他文件，成功返回0,失败返回-1设errno
#include 
int close(int fd);
#include 
#include
int res=close(fd);
if(-1==res)
        perror("close"),exit(-1);

通过本文，我们了解了Linux文件I/O的基本原理和方法，它们可以满足我们对文件的各种操作需求。我们应该根据实际需求选择合适的方法，并遵循一些基本原则，如关闭不用的文件描述符，检查错误返回值，使用合适的缓冲区大小等。文件I/O是Linux程序设计中不可或缺的一部分，它可以实现数据的持久化和交换，也可以提升程序的功能和性能。希望本文能够对你有所帮助和启发。

以上是Linux檔案I/O：原理與方法的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！