Linux文件I/O(creat/open/read/write/lseek/close/dup/sync)

先来提一下文件标识符的概念，对内核而言，所有打开的文件都通过文件描述符引用。文件描述符是一个非负整数，打开或创建一个文件的时候，内核向进程返回它的描述符。我们要进行读写操作的时候，把这个描述符传给read和write即可对文件内容进行操作。
按照惯例，UNIX系统shell把文件描述符0与进程的标准输入关联，1和标准输出关联，2和标准错误关联。在unistd.h中有相关的STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、STDERR_FILENO宏定义。文件描述符的变化范围是0~OPEN_MAX-1。

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open函数：

int open(const char *path, int oflag, ... /* mode_t mode */);
int openat(int fd, const char *path, int oflag, ... /* mode_t mode */);

两函数的返回值都是打开的文件描述符，如果打开失败，返回-1。

path：文件名称
oflag：选项
- - - 必选：
- O_RDONLY：只读打开；
- O_WRONLY：只写打开；
- O_RDWR：读写打开；
- O_EXEC：执行打开；
- O_SEARCH：搜索打开。
- - - 可选：
- O_APPEND：追加写入，每次写入的时候偏移量都会固定在最尾端，lseek和write组成了原子操作，每次写入的时候都调用一次（所以lseek不管用了），而不是之前想的打开后lseek就不变了，以后只write（请看附1代码）；
- O_CREAT：创建文件时设定第三个参数mode，指定访问权限；
- O_DIRECTORY：保证path是个目录，如果不是目录就会报错；
- O_EXCL：将测试文件是否存在和创建文件组成原子操作，如果creat时文件已存在，出错（这样的设计就不会出现两个进程同时创建覆盖的后果了）；
- O_NONBLOCK：如果path引用的是FIFO、块特殊文件或字符特殊文件，将I/O操作设置为非阻塞状态；
- O_SYNC：使每次write等待雾里I/O操作完成，包括由该write操作引起的文件属性更新所需的I/O；
- O_TRUNC：用写或读写方式打开时将文件长度截断为0（等同于创建覆盖文件）。
// 所有的参数都在fcntl.h中进行了宏定义

fd参数把open和openat函数区分开，共有三种可能：
1. path参数指定的是绝对路径，在这种情况下fd被忽略，openat就相当于open;
2. path参数指定的是相对路径，fd指出了相对路径名在文件系统中开始的位置（fd参数通过打开相对路径名所在的目录获取的O_SEARCH | O_DIRECTORY）;
3. path参数指定的是相对路径，fd为特殊值AT_FDCWD，此时就在工作目录获取，与open一样。
【使用openat函数可以让我们使用相对路径去在不同的目录进行工作，解决了多线程工作在不同目录的问题】

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creat函数：

int creat(const char *path, mode_t mode);
// open(path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode);
// 现在open添加了O_CREAT和O_TRUNC这些选项，也不再需要单独的creat了

如果创建成功，返回文件描述符，出错返回-1。

creat的不足是使用只写的方式打开文件，如果要读和写同时进行，就只能进行切换，十分麻烦。现在可以使用open(path, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, mode)来实现。

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close函数：

int close(int fd);

当一个进程终止的时候，内核自动关闭它所有打开的文件，很多程序利用这一点而不去主动close。

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lseek函数：

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

如果成功，返回文件新的偏移量，否则返回-1。通常open一个文件都会将偏移量设置为0，除非指定了O_APPEND选项。如果对FIFO或者套接字管道等设置偏移量，会返回-1并将errno设置为ESPIPE。

whence参数：SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END

文件的偏移量是可以大于文件长度的，这样对文件的下一次写将会加长该文件，并在中间构成一个用0填充的空洞（虽然在存储的时候跟文件系统压缩方式有关，但它就是有那么大）。

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read函数：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

返回值是读取到的字节数，如果已经到达文件的尾端，返回0。需要使用返回值来确定长度而不是nbytes，因为有很多情况是读不满的。

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write函数：

ssize_t write(int fd, void *buf, size_t nbytes);

返回值是成功写入的字节数，如果出错返回-1。与read不同，write返回值通常是与nbytes相等的，如果不相等则表示出了一些问题，如磁盘写满了，或者单进程文件写太长了受限。

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dup函数：

int dup(int fd);
int dup2(int fd1，int fd2);

两个函数均为复制一个现存的文件的描述。若成功返回值为新的文件描述符，若出错为-1。由dup返回的新文件描述符一定是当前可用文件描述中的最小数值。用dup2则可以用fd2参数指定新的描述符数值。如果fd2已经打开，则先关闭。若fd1=fd2，则dup2返回fd2，而不关闭它。通常使用这两个系统调用来重定向一个打开的文件描述符（构成选择通道，筛选器等等）。

dup可以看作是close和fcntl的原子集合操作。

我们的系统还提供了/dev/fd目录，这个目录里有数字0、1、2等文件，在程序中打开文件就相当于复制对应的描述符，注意此时的mode必须为之前打开对应fd的mode的子集，不可越限。使用这种方法creat的时候可能会导致底层文件被截断，因为linux实现使用指向实际文件的符号链接。

fd = open("/dev/fd/0", O_RDONLY);

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sync函数：

int fsync(int fd);
int fdatasync(int fd);
void sync(void);

由于大多数磁盘I/O都采用了缓冲区写入的办法，I/O操作都是内核对缓冲区的写入操作，只有在内核需要重用缓冲区来存放其他磁盘块数据时，才会把所有延迟写数据块写入磁盘。这时就会出现一些一致性的问题，所以UNIX提供了sync、fsync和fdatasync三个函数将缓冲区文件内容写入磁盘。通常系统守护进程update就是周期性的调用sync函数来保证定期flush缓冲区。

1. sync：将所有修改过的块缓冲区排入写队列，直接返回（不等待实际磁盘写操作结束）；
2. fsync：只对fd一个文件起作用，并且等待写操作结束后才返回，适用于数据库等需要高度一致性的程序；
3. fdatasync：与fsync相同，但它同时还会更新文件的属性。

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还有fnctl和ioctl函数可以执行多种操作，但由于太过复杂，并且功能大多使用前面的函数就可以完成，暂时不说了。详情查看APUE-3.14，APUE-3.15。

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附1代码：append标识符实验（不知为何左键不能用了虚拟机，就直接截图）
在这里我是创建了一个文件，让程序写了两次，可以看到每次write的时候seek才会更新。

代码结果：