Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题

linux操作系统奉行一切皆文件的理念,所有文件设备几乎都可以用一套系统调用即open()/close()/write()/read()等来操作。系统调用和C库调用操作文件类似。Linux自带的man手册是最权威的。通过查看man手册来查看系统调用用法。

代号 —— 代表的含义

  • 1 —— 用户在shell环境下可操作/可执行的命令
  • 2 —— 系统内核可调用的函数与工具
  • 3 —— 一些常用的函数与函数库,大部分C的函数库
  • 4 —— 设备文件的说明,通常是在 /dev下的设备
  • 5 —— 配置文件或某些文件的格式
  • 6 —— 游戏
  • 7 —— 管理与协议等,例如Linux文件系统、网络协议等
  • 8 —— 系统管理员可用的命令
  • 9 —— 与Kernel有关的文件

注意,系统的头文件在Linux中一般存放在/usr/include目录下;下面包含的一些头文件有的带了sys,其实是include底下的子目录中的头文件

open()——打开或者创建一个文件

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第1张图片

返回值类型: int——文件描述符fd,每打开一个文件,就会得到一个文件描述符,这个文件描述符是整形的,我们通过文件描述符进行读写操作。

  • 失败:-1
  • 成功:>= 0,即文件描述符;
  • mode_t是一个类型别名,实际上就是一个有符号的整数,对open函数而言,仅仅当创建新文件时才使用第三个参数

flag:打开标志

注意: 这些其实都是定义的一些宏,当需要使用到多个参数时,使用按位或“ | ”构成多个flag参数

也可跟随下面的方式一起使用:

其他不一一介绍,需要使用时自查。

write()

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第2张图片

返回值

  • 若成功为已经写入的字节数;
  • 若出错为-1;

注意:计划写入的字节数和函数的返回值不相等时,表示写入出现了错误,可以用来检验写入是否成功;

参数:

  • fd:写入文件的文件描述符;
  • buf:存放待写数据的缓存;
  • count:要求写入一次数据的字节数;

注意:

对于普通文件,写操作从文件的当前位移量处开始,若如果在打开该文件时,指定了O_APPEND选择项,则在每次写操作之前,将文件位移量设置在文件的当前结尾处。在一次成功写之后,该文件位移量增加实际写的字节数。

read()

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第3张图片

返回值 :读到的字节数

  • 若已到文件尾为0;若出错为-1;

参数

  • fd:读取文件的文件描述符;
  • buf:存放读取数据的缓存;
  • count:要求读取一次数据的字节数;注意返回值是实际读到的字节数,二者并不相同;

注意:读操作从文件的当前位移量开始,在成功返回之前,该位移量增加实际读得的字节数(这个位移量是可以自己设置的);

close()

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第4张图片

注意:当一个进程终止时,它所打开的文件都由内核自动关闭。

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第5张图片

注:这些不带缓存的函数都是内核提供的系统调用;这正是和我们在C语言中学到的那些IO操作不同的地方,他们不是标准C的组成部分,但是POSIX的组成部分。

标准C对文件操作时都是通过对FILE的结构体指针进行操作的,而这里使用的是文件描述符。

文件描述符的范围是0——OPEN MAX,早期的Unix采用的上限为19(即允许每个进程打开20个文件),现在很多系统将即增加到63,Linux为1024,具体多少可以在的头文件中查找。

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第6张图片

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第7张图片

文件描述符与文件指针

  • FILE *fdopen(int fd,const char *mode),将文件描述符转为文件指针;
  • int fileno(FILE *stream),将文件指针转换为文件描述符;

lseek函数

功能: 定位一个已打开的文件

off_t lseek(int fd,off_t offset,int whence);
  • fd:已经打开的文件描述符;
  • offset:位移量;
  • whence:定位的位置,即基准点
  • SEEK_SET:将该文件的位移量设置为距文件开始处offset个字节;
  • SEEK_CUR:将该文件的位移量设置为其当前值加offset,offset可正可负;
  • SEEK_END:将该文件的位移量设置为文件长度加offset,offset可正可负(此时若为正值,就涉及到空洞文件了,请看下面的讲解);
  • 返回值:**若成功则返回新的文件位移量(绝对位移量)**若出错为-1;定位到文件尾部时,可以返回文件的大小;
  • lseek函数也可以用来确定所涉及的文件是否可以设置位移量,如果文件描述符所引用的是一个管道或者FIFO,则lseek返回-1,并将errno设置为EPLPE;

空洞文件示例:

#include
#include
#include
#include
#include
#include

//生成空洞文件
char *buffer = "0123456789";

int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc < 2)
	{
		fprintf(stderr,"-usage:%s [file]\n",argv[0]);
		exit(1);
	}

	int fd = open(argv[1],O_WRONLY | O_CREATE | O_TRUNC,0777);
	if(fd < 0)
	{
		perror("open error");
		exit(1);
	}

	size_t size = strlen(buffer) * sizeof(char);
	//将字符串写入到空洞文件中
	if(write(fd,buffer,size) != size)
	{
		perror("write error");
		exit(1);
	}
	
	//定位到文件尾部的10个字节处
	if(lseek(fd,10L;SEERK_END) < 0)
	{
		perror("lseek error");
		exit(1);
	}
	//从文件尾部的10个字节处再写入字符串
	if(write(fd,buffer,size) != size)
	{
		perror("write error");
		exit(1);
	}
	close(fd);
	return 0;
}

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第8张图片

我们可以看到用more命令查看文件内容时,发现显示的内容只有一次写入的结果,用od

-c命令查看文件的ASSCI码,我们会发现在两次内容之间,有10个\0,这就是空洞,用vim打开该文件内容也可以看到,有10个^@符。

注:每个文件都有一个与其相关联的“当前文件偏移量”,它是一个非负整数,用以度量从文件开始处计算的字节数。通常读写操作都以文件当前偏移量处开始,并使得偏移量增加所读或所写的字节数。按系统默认,当打开一个文件时,除非指定O_APPEND选择项,否则该文件位移量被设置为0;

示例:

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第9张图片

运行结果如下:

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第10张图片

fd = 3的原因是:

系统内部PCB存在一个文件表,以记录打开的文件,文件描述符其实就是文件表的下标

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第11张图片

  • 0——FILE* stdin,标准输入
  • 1——FILE* stdout,标准输出
  • 3——FILE* stderr,标准错误输出
  • 本程序已经默认打开了三个文件,fd排到第四个,所以编号为3

接下来进行文件读取

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第12张图片

运行结果如下:

应用:利用读写对文件进行复制

首先声明:我们不区分文本文件还是二进制文件

完成对一个图片的复制,我们可以使用以下的方案:

  • 先打开原来的二进制文件
  • 打开一个新的文件
  • 从原来的二进制文件中读取一部分写入新文件
  • 反复读写
  • 直到读完,写完就停止【read() == 0作为循环停止的条件,读不到就是读完了】
  • 完成复制

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第13张图片

复制完成

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第14张图片

打开文件后,fork的子进程能否共享和父进程共享访问同一个文件?

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第15张图片

我们每次打开文件以后,会在内核中产生struct file这样一个结构体,以表示打开的文件,记录着以下信息:

  • 文件偏移量(起始从0开始,文件指针随着写入数据进行偏移)
  • 引用计数(几个进程正在使用这个打开的文件)
  • inode节点(存放进程的属性信息:谁创建了,名字是什么,在磁盘哪里存储。通过这个inode节点,我们才能找到对应的这个具体的文件)
  • 打开方式:比如只读方式,只写方式打开

测试1:先打开文件再fork

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第16张图片

close(fd)写在最外侧,父子进程都会关闭,每关闭一次,引用计数减1,直到为0。

运行结果如下:

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第17张图片

原因如下:

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第18张图片

测试2:先fork再打开文件

修改代码后,运行结果发生如下变化:

Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题_第19张图片

因为父子进程分离后,打开了各自的文件,产生了各自的struct file,不再共享文件偏移量。

在实际的应用场景中,我们更多地使用父进程打开的文件,子进程去访问这种形式。

总结

以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持脚本之家。

你可能感兴趣的:(Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题)