Linux文件I/O---打开/创建文件

打开文件

Open介绍

文件open在手册中有两个函数原型，如下所示：

#include 
#include 
#include 

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
//返回值：成功返回新分配的文件描述符，失败返回-1并设置errno

参数解释：

pathname ：要打开或创建的文件名，和fopen一样，pathname既可以是绝对路径也可以是相对路径；

flags         ：用于指示打开文件的选项，常用的有O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR。这三个选项必须有一个且只能有一个被指定。除以上三个选项，Linux平台还支持更多的选项，可在fcntl.h文件中找到

• O_APPEND：每次进行写操作时，内核都会先定位到文件尾，在执行写操作
• O_ASYNC：使用异步I/O模式
• O_CLOEXEC：在打开文件的时候，就为文件描述符设置FD_CLOEXEC标志。这是一个新的选项，用于解决在多线程下fork与用于fcntl设置FD_CLOEXEC的竞争。某些应用使用fork来执行第三方业务，为了避免泄露已打开文件的内容，那些文件会设置FD_CLOEXEC标志，但是fork与fcntl是两次调用，在多线程下，可能会在fcntl调用之前，就已经fork出子进程了，从而导致该文件句柄暴露给子进程
• O_CREAT：当文件不存在的时候，就创建文件
• O_DIRECT：对该文件进行直接I/O，不使用VFS Cache
• O_DIRECTORY：要求打开的路径必须是目录
• O_EXCL：该标志用于确保是此次调用创建的文件，需要与O_CREAT同时使用，当文件存在时，open函数返回失败
• O_LARGEFILE：表明文件为大文件
• O_NOATIME：读取文件时，不更新最后的访问时间
• O_NONBLOCK、O_NDELAY：将该文件描述符设置为非阻塞（默认都是阻塞的）
• O_SYNC：设置为I/O同步模式，每次进行写操作时都会将数据同步到磁盘，然后write才能返回
• O_TRUNC：在打开文件的时候，将文件长度截断为0，需要与O_RDWR或O_WRONLY同时使用。在写文件时，如果是作为新文件重新写入，一定要使用O_TRUNC标志，否则可能会造成旧内容依然存在于文件中的错误。

open函数原型：

    当我们调用open函数时，实际上调用的是glibc封装的函数，然后由glibc通过自陷指令，进行真正的系统调用。也就是说所有的系统调用都要先经过glibc才会进入操作系统。这样的话是祭祀夯实glibc提供了一个变参函数open来满足两个函数原型，然后通过glibc的变参函数open实现真正的系统调用来调用open函数，open函数的声明如下所示：

extern int open (__const char *__file, int __oflag, ...) __nonnull ((1));

Open源码跟踪

在内核sys_open源码中sys_open->do_sys_open源码(/linux-2.6.30/fs/open.c)如下所示：

long do_sys_open(int dfd, const char __user *filename, int flags, int mode)
{
	char *tmp = getname(filename);
	int fd = PTR_ERR(tmp);

	if (!IS_ERR(tmp)) {
		fd = get_unused_fd_flags(flags);
		if (fd >= 0) {
			struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, flags, mode, 0);
			if (IS_ERR(f)) {
				put_unused_fd(fd);
				fd = PTR_ERR(f);
			} else {
				fsnotify_open(f->f_path.dentry);
				fd_install(fd, f);
			}
		}
		putname(tmp);
	}
	return fd;
}

打开文件时，内核主要消耗了两种资源：文件描述符与内核管理文件结构file

如何选择文件描述符

根据POSIX标准，当获取一个新的文件描述符时，要返回最低的未使用的文件描述符。在Linux中，通过do_sys_open->get_unused_fd_flags_->alloc_fd(0, (flags))来选择文件描述符，代码(/linux-2.6.30/fs/open.c)如下所示：

/*
 * allocate a file descriptor, mark it busy.
 */
int alloc_fd(unsigned start, unsigned flags)
{
	struct files_struct *files = current->files;
	unsigned int fd;
	int error;
	struct fdtable *fdt;

	spin_lock(&files->file_lock);
repeat:
	fdt = files_fdtable(files);
	fd = start;
	if (fd < files->next_fd)
		fd = files->next_fd;

	if (fd < fdt->max_fds)
		fd = find_next_zero_bit(fdt->open_fds->fds_bits,
					   fdt->max_fds, fd);

	error = expand_files(files, fd);
	if (error < 0)
		goto out;

	/*
	 * If we needed to expand the fs array we
	 * might have blocked - try again.
	 */
	if (error)
		goto repeat;

	if (start <= files->next_fd)
		files->next_fd = fd + 1;

	FD_SET(fd, fdt->open_fds);
	if (flags & O_CLOEXEC)
		FD_SET(fd, fdt->close_on_exec);
	else
		FD_CLR(fd, fdt->close_on_exec);
	error = fd;
#if 1
	/* Sanity check */
	if (rcu_dereference(fdt->fd[fd]) != NULL) {
		printk(KERN_WARNING "alloc_fd: slot %d not NULL!\n", fd);
		rcu_assign_pointer(fdt->fd[fd], NULL);
	}
#endif

out:
	spin_unlock(&files->file_lock);
	return error;
}

文件描述符fd与文件管理结构file

内核使用fd_install将文件管理结构file与fd组合起来，具体的操作如下代码(/linux-2.6.30/fs/open.c)所示：

/*
 * Install a file pointer in the fd array.
 *
 * The VFS is full of places where we drop the files lock between
 * setting the open_fds bitmap and installing the file in the file
 * array.  At any such point, we are vulnerable to a dup2() race
 * installing a file in the array before us.  We need to detect this and
 * fput() the struct file we are about to overwrite in this case.
 *
 * It should never happen - if we allow dup2() do it, _really_ bad things
 * will follow.
 */

void fd_install(unsigned int fd, struct file *file)
{
	struct files_struct *files = current->files;
	struct fdtable *fdt;
	spin_lock(&files->file_lock);
	fdt = files_fdtable(files);
	BUG_ON(fdt->fd[fd] != NULL);
	rcu_assign_pointer(fdt->fd[fd], file);
	spin_unlock(&files->file_lock);
}

当用户使用fd与内核交互时，内核可以使用fd从fdt->fd[fd]中得到内部管理文件的结构struct file

创建文件

creat函数用于创建一个新的文件，其等价于open(pathname, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode).

creat函数引入的原因：由于历史原因，早期的Unix版本中，open的第二个参数只能是0(O_RDONLY)、1(O_WRONLY)或者2(O_RDWR)，这样就没有办法打开一个不存在的文件，因此一个独立的系统调用creat被引入，用于创建新文件。现在的open函数通过使用O_CREAT和O_TRUNC选项，可以实现creat的功能，因此creat已经不是必要的了。

内核creat的实现代码(/linux-2.6.30/fs/open.c)如下所示：

/*
 * For backward compatibility?  Maybe this should be moved
 * into arch/i386 instead?
 */
SYSCALL_DEFINE2(creat, const char __user *, pathname, int, mode)
{
	return sys_open(pathname, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, mode);
}

这样就确定了creat无非是open的一种封装实现。