【Linux】我的Linux系统级I/O及相关指令的操作文档

Linux中，较高级的I/O函数（如printf()，scanf()等）都是通过使用内核提供的系统级Unix I/O函数来实现的。虽然我们用起这些较高级的I/O函数都觉得非常顺手，但是学习系统级I/O函数仍存在许多意义，正如《深入理解计算机系统》一书中写道：

1.了解Unix I/O会帮助我们理解其他的系统概念。系统I/O与其他系统概念经常会形成循环依赖，比如I/O函数在系统进程创建和执行中非常重要，而进程的创建又在不同进程的文件共享中扮演着关键角色；
2.有时除了Unix系统级I/O以外别无选择。在某些重要的情况中，使用高级的I/O函数不太可能，比如：标准I/O库中没有提供读取文件元数据的方式，例如文件大小或文件创建时间。

了解完系统级I/O的重要性，接下来介绍一下本篇博客的主体目录：

1. 基本的系统级I/O函数及其相应的参数
2. 系统级I/O操作中运用的指令
3. 《CSAPP》中推荐的I/O函数
4. 总结

下面来进入我们的第一个部分：

1.基本的系统级I/O函数及其相应的参数

“Linux中，一切皆文件”，我的《深入了解计算机系统》的老师如是说道。一个功能完整的机器，所有的设备/文件等等是海量的，那么应当如何单独地描述标记一个文件呢？这时我们就需要引入一个文件描述符（fd，一个非负数）的概念。一个应用程序通过要求内核打开相应的文件时，内核会返回一个非负数，这个非负数就是这个相应的文件的文件标识符fd。

解释完fd是什么，进入正题。Unix I/O中，所有的I/O都由一种“统一而且一致的方式”来执行，各种Unix I/O函数如下：

1. 打开文件：每个对文件的I/O操作必须要进行的操作，一个文件的fd也是在这个时候生成，并作为open()的返回值。
2. Linux shell中创建时就有的文件：Linux shell作为用户访问内核的界面，创建的每一个进程都要有三个打开的文件：标准输入(fd=0)、标准输出(fd=1)、标准错误(fd=2)。头文件中定义了三个可以代替三个上述文件描述符的常量：STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、STDERR_FILENO。由上述可知，每个自定义文件的fd都只能从3开始。
3. 改变当前文件位置：对于每个打开后的文件，内核会保存其文件位置k，初始化为0。应用程序能通过seek操作，设置文件的位置。
4. 读写文件：读操作就是从文件复制n>0个字节到内存，从当前文件位置k开始，然后改变文件的位置，从k变成k+n；特殊地，对一个字节大小为m<=k的文件，读操作会触发EOF，应用程序可以检测到。写操作类似。
5. 关闭文件：内核会释放该文件所创建的各种数据结构（堆栈、等等），并将fd恢复到可用的描述符中（释放两件东西：数据结构+fd）。

(1).打开文件

open()的函数原型如下：

#include
#include
#include

int open(char *filename, int flags, mode_t mode);
/*返回值：若成功则返回文件fd，不成功则为-1。*/
/*函数参数：filename：文件名；flags：进程访问文件的方式对应的参数；mode：访问权限位*/

接下来对flags及mode进行进一步的解析：

i).flags参数

了解完各种flags，我们可以知道它与open()的多种联用：

fd=open("foo.txt",O_WRONLY|O_APPEND，0);
/*打开一个文件，并在后面追加一些数据。*/

fd=open("foo.txt",O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,DEF_MODE);
/*若文件名对应的文件不存在，则创建；*/
/*若文件名对应的文件存在，则截断（清空）文件内的原内容，并将权限设置为可写。*/

ii).访问权限位

各种访问权限位在头文件sys/stat.h中定义，以掩码的形式表现出来，如下：

(2).关闭文件

代码如下，理解起来简单，故不作赘述：

#include

int close(int fd);
/*成功返回0，不成功返回-1.，，x'x*/

(3).读和写文件

系统级的读写主要是通过调用read()和write()实现的，他们的代码如下:;

include<unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);
/*若成功则返回读的字节数，若EOF则返回0，若失败则返回-1。*/

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);
/*若成功则返回写入的字节数，若出错则为-1。*/
/*变量名解释：fd；文件描述符；buf：read()时读入字节的存储位置，write()时被写入字节的来源；n:读写操作字节数数量。*/

了解了这么多系统级的I/O函数，接下来看看在Linux命令符提示窗口下可能会帮助到我们使用系统级I/O的指令。

2.系统级I/O操作中运用的指令/参数

(1).ls指令

ls指令可以查看指定文件的目录结构（包括目录和文件夹），但只限于文件和文件夹的名称。比如接下来我们来用ls指令来查看根目录下的子目录（“/”代表根目录）：

(2).cat指令

cat指令用于显示文件中的内容，语法为cat+(选项)+(文件列表参数/路径)；
其选项有以下几种：
各自的运行截图如下：

(3).chmod指令

chmod指令用于改变文件的属性（即改变文件的访问权限位），语法为chmod+mode+file；其中mode代表权限设定字串，格式为：[ugoa][±=][rwxX]；其中：

1. [ugoa]：代表文件的各类操作对象，u:user，用户本身；g:group of user，用户所在的群体；o：前两者之外的人；a：all。
2. [±=]：+：代表增加权限；-：代表减少权限；=：代表唯一设定权限；
3. [rwxX]：r：可读；w：可写；x：可执行；X：该档案是个子目录，或者该档案已经被设置为可执行。

下面使用上述指令给出例子：

• 将file.txt设置为所有人皆可读取：chmod ugo+r file.txt
• 将file.txt设置为仅使用者可以执行：chmod u+x file.txt

(4).cp指令

cp指令用于复制文件或者文件夹，它有两种用法：

1. 用法一：一对一(此处目标为文件)复制：$ cp src-file target-file
2. 用法二：多对一(此处目标为文件夹)复制：$ cp src1 src2 src3 ... target-directory

了解完系统级I/O和相关的Linux指令，我们来看《CSAPP》一书中推荐的I/O函数：

3.《CSAPP》推荐的I/O函数

《CSAPP》中有如下几条关于I/O函数使用的原则：

1. 只要有可能就一定使用系统I/O；
2. 不要用scanf()或者rio_readlineb()来读取二进制文件：scanf()这样的函数是专门用来读取文本文件的，而二进制文件中经常会散布着许多无意义的0xa，读取时必会产生“诡异莫测”的错误；
3. 对网络套接字的I/O使用RIO（健壮的I/O）函数。

4.总结

以上便是我个人对于Linux系统级I/O及相关指令操作文档的汇总，其中包含了系统级I/O函数的汇总，一些十分有用且有趣的Linux指令，以及《CSAPP》一书中对于I/O函数使用的建议。希望这能对大家有所帮助。