深入理解计算机系统-第十章 系统级I/O

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系统级I/O
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Unix I/O

输入/输出(I/O)是在主存和外部设备之间复制数据的过程。输入操作是从I/O设备复制数据到主存，输出操作是从主存复制数据到I/O设备。
一切皆文件。所有的I/O设备都被模型化为文件，所有的输入输出都被当作对相应文件的读和写来执行。
文件描述符(file descriptor)：内核返回一个小的非负整数叫做描述符。内核利用它来标识文件。
Linux shell创建的每个进程开始时都有三个打开的文件：标准输入(描述符为0)，标准输出(描述符为1)，标准错误(描述符为2)。
关闭文件后，内核会释放数据结构，并将该文件的描述符恢复到可用的描述符池中。

文件

每个Linux文件都有一个类型来表明它在系统中的角色：

• 普通文件(regular file)：包含任意数据。包括文本文件和二进制文件。

• 目录(directory)：是包含一组链接的文件，每个链接都将一个文件名映射到一个文件。
  · 链接(link)：链接是对文件的引用。在 Linux 中，链接可以如同原始文件一样来对待。链接可以与普通的文件一样被执行、编辑和访问。对系统中的其他应用程序而言，链接就是它所对应的原始文件。链接不是副本，当通过链接对文件进行编辑时，编辑的实际上是原始文件。有两种类型的链接：硬链接和软链接(符号链接)。
  硬链接：用 ln [源文件] [目标文件] 命令可以生成一个硬链接。
  硬链接只能引用同一文件系统中的文件，不能对目录文件进行创建硬链接操作。硬链接文件不能跨文件系统。
  硬链接文件不占用存储空间，它引用的是文件在文件系统中的物理索引(inode)。
  修改源文件或者目标文件, 对应另外一个文件也会发生相应修改。
  当移动或删除原始文件时，硬链接不会被破坏，因为它所引用的是文件的物理数据而不是文件在文件结构中的位置。
  硬链接的文件不需要用户有访问原始文件的权限，也不会显示原始文件的位置，这样有助于文件的安全。
  软连接：用 ln -s 命令可以生成一个软连接。
  软链接文件只是其源文件的一个标记，当删除了源文件后，链接文件不能独立存在，虽然仍保留文件名，但却不能查看软链接文件的内容了。
  链接文件甚至可以链接不存在的文件，这就产生一般称之为”断链”的现象，链接文件甚至可以循环链接自己。类似于编程语言中的递归。
  在对符号文件进行读或写操作的时候，系统会自动把该操作转换为对源文件的操作，但删除链接文件时，系统仅仅删除链接文件，而不删除源文件本身。

• 套接字(socket)：是用来与另一个进程进行跨网络通信的文件。

可以用mkdir命令创建一个目录，用ls查看其内容，用rmdir删除该目录。
下图用mkdir命令创建了一个名为direc的目录，又用rmdir删除了该目录

ls -l 命令可查看当前目录下所有可见文件的详细属性。

以all目录为例:
文件属性： 第①个字符：-表示普通文件，d表示目录文件； -代表无权限，r代表具有可读权限，w代表具有可写权限，x代表具有可执行权限
drwxr-xr-x，第①个字符d表示该文件是一个目录。rwx表示(拥有者)属主权限，可读、可写、可执行权限。r-x表示(拥有者所在组的成员)组权限，可读、可执行。r-x表示其他用户权限，可读、可执行。
文件硬链接数量：31
所有者：tangein
所属用户组：tangein
文件大小：4096 byte
修改时间：2019年1月22日
文件名：all

chmod命令可改变文件属性。+ 表示增加权限，- 表示取消权限，= 表示唯一设定权限。

打开和关闭文件

open函数

• 头文件
  #include
  #include
  #include

• 定义函数
  int open(char *filename, int flags);
  int open(char *filename, int flags, mode_t mode);

• 参数说明
  pathname 指向欲打开的文件路径字符串
  flags 指明进程如何访问文件：
  · O_RDONLY 只读
  · O_WRONLY 只写
  · O_RDWR 可读可写
  · O_CREAT 如果文件不存在就创建它的一个截断的(空)文件。
  · O_TRUNC 如果文件存在，就截断它。即如果文件存在且为普通文件，打开方式为可写(O_WRONLY或O_RDWR)，则清空文件内容。
  · O_APPEND 在每次写操作前，设置文件位置到文件的结尾处

• 返回值
  若成功则为新文件描述符，若出错则为-1

• 函数功能
  打开一个已存在的文件或创建一个新文件

close函数

• 头文件
  #include

• 定义函数
  int close(int fd);

• 参数说明
  fd 是要关闭的文件描述符

• 返回值
  若成功则为0，若出错则为1

• 函数功能
  关闭一个打开的文件 (关闭一个已关闭的描述符会出错)

#include "csapp.h"
int main()
{
 int fd1,fd2;
 fd1=Open("foo.txt",O_RDONLY,0);
 Close(fd1);
 fd2=Open("baz.txt",O_RDONLY,0);
 printf("fd2=%d\n",fd2);
 exit(0);
}

该程序的输出结果为 fd2=3
open函数总是返回最低的未打开的描述符。第一次调用open返回3，即fd1=3,调用close函数释放描述符3。因此再次调用open返回3，即fd2=3。

读和写文件

read函数

• 头文件
  #include

• 定义函数
  ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);

• 参数说明
  fd 是要读的文件描述符
  buf 是要读入的内存位置
  n 表示最多读入的字节数

• 返回值
  若成功则为读的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1

• 函数功能
  从文件中读

write函数

• 头文件
  #include

• 定义函数
  ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);

• 参数说明
  fd 是要写的文件描述符
  buf 指向一段要写入的内存空间的首地址
  n 表示最多写入的字节数

• 返回值
  若成功则为写的字节数，若出错则为-1

• 函数功能
  写到一文件中

读取文件元数据

stat和fstat函数

• 头文件
  #include
  #include

• 定义函数
  int stat(const char *filename, struct stat *buf);
  int fstat(int fd, struct stat *buf);

• 参数说明
  stat函数以一个文件名filename作为输入，fstat函数以一个文件描述符fd作为输入，填写stat数据结构中的各个成员
  struct stat{
  dev_t st_dev;
  ino_t st_ino;
  mode_t st_mode; /* 文件访问许可位和文件类型 * /
  nlink_t st_nlink;
  uid_t st_uid;
  gid_t st_gid;
  dev_t st_rdev;
  off_t st_size; /* 文件的字节数大小* /
  timestruc_t st_atim;
  timestruc_t st_mtim;
  timestruc_t st_ctim;
  blksize_t st_blksize;
  blkcnt_t st_blocks;
  char st_fstype[_ST_FSTYPSZ];
  };

• 返回值
  若成功则为0，若出错则为-1

• 函数功能
  检索关于文件的信息。

I/O重定向

dup函数和dup2函数

• 头文件
  #include

• 定义函数
  int dup(int fd)；
  int dup2(int oldfd, int newfd);

• 参数说明
  fd 是一个文件描述符
  oldfd 是重定向后的文件描述符
  newfd 是被覆盖的文件描述符

• 返回值
  若成功则为非负的描述符，若出错则为-1

• 函数功能
  复制一个现存的文件描述符；
  复制描述符表表项oldfd到描述符表表项newfd，并覆盖newfd的内容

假设：描述符1对应文件A，描述符4对应文件B。A、B的引用计数都等于1

调用dup2(4,1)后，两个描述符都指向文件B。
此时文件A被关闭，并且A的文件表和v-node表表项都已经被删除了