unix环境高级编程之 read与write 函数详解

学习记录：unix环境高级编程之 read 与write  函数详解

备注：本博文非本人所写，本人觉得此文讲的非常地道通俗易懂，所以摘录在此以方便以后再次查看







read 函数从打开的设备或文件中读取数据。

#include   ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); 返回值：成功返回读取的字节数，出错返回-1并设置errno，如果在调read之前已到达文件末尾，则这次read返回0

参数 count 是请求读取的字节数，读上来的数据保存在缓冲区 buf 中，同时文件的当前读写位置向后移。注意这个读写位置和使用C标准I/O库时的读写位置有可能不同，这个读写位置是记在内核中的，而使用C标准I/O库时的读写位置是用户空间I/O缓冲区中的位置。

fread就是通过read来实现的，fread是C语言的库，而read是系统调用
但是差别在read每次读的数据是调用者要求的大小，比如调用要求读取10个字节数据，read就会读10个字节数据到数组中，而fread不一样，为了加快读的速度，fread每次都会读比要求更多的数据，然后放到缓冲区中，这样下次再读数据只需要到缓冲区中去取就可以了。

fread每次会读取一个缓冲区大小的数据，32位下一般是4096个字节，相当于调用了read(fd,buf,4096)

比如需要读取512个字节数据，分4次读取，调用read就是：
for(i=0; i<4; ++i)
read(fd,buf,128)
一共有4次系统调用

而fread一次就读取了4096字节放到缓冲区了，所以省事了

比如用 fgetc 读一个字节， fgetc 有可能从内核中预读1024个字节到I/O缓冲区中，再返回第一个字节，这时该文件在内核中记录的读写位置是1024，而在 FILE 结构体中记录的读写位置是1。注意返回值类型是 ssize_t ，表示有符号的 size_t ，这样既可以返回正的字节数、0（表示到达文件末尾）也可以返回负值-1（表示出错）。 read 函数返回时，返回值说明了 buf 中前多少个字节是刚读上来的。有些情况下，实际读到的字节数（返回值）会小于请求读的字节数 count ，例如：

• 读常规文件时，在读到count个字节之前已到达文件末尾。例如，距文件末尾还有30个字节而请求读100个字节，则read返回30，下次read将返回0。

• 从终端设备读，通常以行为单位，读到换行符就返回了。

• 从网络读，根据不同的传输层协议和内核缓存机制，返回值可能小于请求的字节数，后面socket编程部分会详细讲解。

write 函数向打开的设备或文件中写数据。

#include   ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); 返回值：成功返回写入的字节数，出错返回-1并设置errno

写常规文件时， write 的返回值通常等于请求写的字节数 count ，而向终端设备或网络写则不一定。

读常规文件是不会阻塞的，不管读多少字节，read一定会在有限的时间内返回。从终端设备或网络读则不一定，如果从终端输入的数据没有换行符，调用read读终端设备就会阻塞，如果网络上没有接收到数据包，调用read从网络读就会阻塞，至于会阻塞多长时间也是不确定的，如果一直没有数据到达就一直阻塞在那里。同样，写常规文件是不会阻塞的，而向终端设备或网络写则不一定。

现在明确一下阻塞（Block） 这个概念。当进程调用一个阻塞的系统函数时，该进程被置于睡眠（Sleep） 状态，这时内核调度其它进程运行，直到该进程等待的事件发生了（比如网络上接收到数据包，或者调用 sleep 指定的睡眠时间到了）它才有可能继续运行。与睡眠状态相对的是运行（Running） 状态，在Linux内核中，处于运行状态的进程分为两种情况：

• 正在被调度执行。CPU处于该进程的上下文环境中，程序计数器（eip）里保存着该进程的指令地址，通用寄存器里保存着该进程运算过程的中间结果，正在执行该进程的指令，正在读写该进程的地址空间。

• 就绪状态。该进程不需要等待什么事件发生，随时都可以执行，但CPU暂时还在执行另一个进程，所以该进程在一个就绪队列中等待被内核调度。系统中可能同时有多个就绪的进程，那么该调度谁执行呢？内核的调度算法是基于优先级和时间片的，而且会根据每个进程的运行情况动态调整它的优先级和时间片，让每个进程都能比较公平地得到机会执行，同时要兼顾用户体验，不能让和用户交互的进程响应太慢。

  
  

下面这个小程序从终端读数据再写回终端。

例 28.2. 阻塞读终端

#include 
#include 

int main(void)
{
 char buf[10];
 int n;
 n = read(STDIN_FILENO, buf, 10);
 if (n < 0) {
  perror("read STDIN_FILENO");
  exit(1);
 }
 write(STDOUT_FILENO, buf, n);
 return 0;
}

执行结果如下：

$ ./a.out  hello（回车） hello $ ./a.out  hello world（回车） hello worl$ d bash: d: command not found

第一次执行a.out的结果很正常，而第二次执行的过程有点特殊，现在分析一下：

1. Shell进程创建a.out进程，a.out进程开始执行，而Shell进程睡眠等待a.out进程退出。

2. a.out调用read时睡眠等待，直到终端设备输入了换行符才从read返回，read只读走10个字符，剩下的字符仍然保存在内核的终端设备输入缓冲区中。

3. a.out进程打印并退出，这时Shell进程恢复运行，Shell继续从终端读取用户输入的命令，于是读走了终端设备输入缓冲区中剩下的字符d和换行符，把它当成一条命令解释执行，结果发现执行不了，没有d这个命令。

   
   

如果在open一个设备时指定了O_NONBLOCK标志，read/write就不会阻塞。以read为例，如果设备暂时没有数据可读就返回-1，同时置errno为EWOULDBLOCK（或者EAGAIN ，这两个宏定义的值相同），表示本来应该阻塞在这里（would block，虚拟语气），事实上并没有阻塞而是直接返回错误，调用者应该试着再读一次（again）。这种行为方式称为轮询（Poll） ，调用者只是查询一下，而不是阻塞在这里死等，这样可以同时监视多个设备：

while(1) {  非阻塞read(设备1);  if(设备1有数据到达)   处理数据;  非阻塞read(设备2);  if(设备2有数据到达)   处理数据;  ... }

如果read(设备1)是阻塞的，那么只要设备1没有数据到达就会一直阻塞在设备1的read调用上，即使设备2有数据到达也不能处理，使用非阻塞I/O就可以避免设备2得不到及时处理。

非阻塞I/O有一个缺点，如果所有设备都一直没有数据到达，调用者需要反复查询做无用功，如果阻塞在那里，操作系统可以调度别的进程执行，就不会做无用功了。在使用非阻塞I/O时，通常不会在一个 while 循环中一直不停地查询（这称为Tight Loop ），而是每延迟等待一会儿来查询一下，以免做太多无用功，在延迟等待的时候可以调度其它进程执行。

while(1) {  非阻塞read(设备1);  if(设备1有数据到达)   处理数据;  非阻塞read(设备2);  if(设备2有数据到达)   处理数据;  ...  sleep(n); }

这样做的问题是，设备1有数据到达时可能不能及时处理，最长需延迟n秒才能处理，而且反复查询还是做了很多无用功。以后要学习的 select(2) 函数可以阻塞地同时监视多个设备，还可以设定阻塞等待的超时时间，从而圆满地解决了这个问题。

以下是一个非阻塞I/O的例子。目前我们学过的可能引起阻塞的设备只有终端，所以我们用终端来做这个实验。程序开始执行时在0、1、2文件描述符上自动打开的文件就是终端，但是没有 O_NONBLOCK 标志。所以就像 例 28.2 “阻塞读终端” 一样，读标准输入是阻塞的。我们可以重新打开一遍设备文件 /dev/tty （表示当前终端），在打开时指定 O_NONBLOCK 标志。

O_NONBLOCK 以不可阻断的方式打开文件，也就是无论有无数据读取或等待，都会立即返回进程之中。

例 28.3. 非阻塞读终端

从终端设备或网络读则不一定，如果从终端输入的数据没有换行符，调用 read 读终端设备就会阻塞

#include
#include
#include
#include
#include

#define MSG_TRY "try again\n"

int main(void)
{
char buf[10];
int fd, n;
fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK);
if(fd<0) {
perror("open /dev/tty");
exit(1);
}
tryagain:
n = read(fd, buf, 10);
if (n < 0) {
if (errno == EAGAIN) {
sleep(1);
write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));
goto tryagain;
} 
perror("read /dev/tty");
exit(1);
}
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
close(fd);
return 0;
}

直到按下回车把之前的输入输出（最多10个），然后停止。

以下是用非阻塞I/O实现等待超时的例子。既保证了超时退出的逻辑又保证了有数据到达时处理延迟较小。

例 28.4. 非阻塞读终端和等待超时

read：既可以返回正的字节数、0（表示到达文件末尾）也可以返回负值-1（表示出错）

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define MSG_TRY "try again\n"
#define MSG_TIMEOUT "timeout\n"

int main(void)
{
 char buf[10];
 int fd, n, i;
 fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK);
 if(fd<0) {
  perror("open /dev/tty");
  exit(1);
 }
 for(i=0; i<5; i++) {
  n = read(fd, buf, 10);
  if(n>=0)
   break;
  if(errno!=EAGAIN) {
   perror("read /dev/tty");
   exit(1);
  }
  sleep(1);
  write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));
 }
 if(i==5)
  write(STDOUT_FILENO, MSG_TIMEOUT, strlen(MSG_TIMEOUT));
 else
  write(STDOUT_FILENO, buf, n);
 close(fd);
 return 0;
}