【Linux】文件IO
# 前置知识
-
Linux文件I/O分为系统IO和标准IO，常用于系统编程
-
系统I/O通过文件描述符
fd来操作文件 -
标准I/O通过文件流
FILE*来操作文件 -
Linux下可以使用
man命令来查看使用手册
man指令
- 通过man man指令可以查看man指令的帮助手册，其中man 2 xxx是查看系统IO，man 3 xxx是查看标准IO
# 内部调用机制
- 以 open 函数为例，用户态调用 API 触发异常进入内核；
- 内核识别异常后，取出异常值，old ABI从参数中获取，EABI从R7中获取，ARN64从R8中获取，即__NR_open，调用sys_call_table[__NR_open]，sys_call_table就是一个数组，其值为typedef void (*sys_call_ptr_t)(void)类型的函数指针，内容大致如下：
__SYSCALL_COMMON(0, sys_read, sys_read)
__SYSCALL_COMMON(1, sys_write, sys_write)
__SYSCALL_COMMON(2, sys_open, sys_open)
__SYSCALL_COMMON(3, sys_close, sys_close)
__SYSCALL_COMMON(5, sys_newfstat, sys_newfstat)
...
...
...- 最后调用sys_open函数，完成用户态到内核的切入，进入内核后， sys_read/open 会首先根据参数判断文件的类型，然后根据不同的文件类型去找不同的设备驱动，继而进行读写或者输入输出控制。
# 文件句柄fd
在调用 open 函数时，在成功打开文件后，会返回一个文件句柄fd，在后续的 write 、read 等操作都可以通过文件句柄fd完成对文件的操作，那么是如何通过一个文件句柄fd就可以完成对文件各式各样的操作
- 在上述成功调用sys_open函数后，sys_open函数定义如下：
SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *, filename, int, flags, int, mode)
{
long ret;
if (force_o_largefile())
flags |= O_LARGEFILE;
ret = do_sys_open(AT_FDCWD, filename, flags, mode);
/* avoid REGPARM breakage on x86: */
asmlinkage_protect(3, ret, filename, flags, mode);
return ret;
}- 在sys_open函数里面，又调用了 de_sys_open 函数，定义如下：
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); /* 获取未使用的函数句柄 */
if (fd >= 0) {
struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, flags, mode, 0); /* 打开文件，得到file结构体 */
if (IS_ERR(f)) {
put_unused_fd(fd);
fd = PTR_ERR(f);
} else {
fsnotify_open(f);
fd_install(fd, f); /* 在当前进程里面记录下来 */
}
}
putname(tmp);
}
return fd;
}- 通过以上过程，就绑定了文件句柄fd与file结构体，后续操作文件句柄fd，实际上就是操作文件结构体file，文件结构体file如下，在结构体中，有f_op，里面包含了读写等对文件的操作；有f_flags，这就是使用open函数时的打开模式；有f_pos，这就是使用读写函数时，指向文件的位置
struct file {
/*
* fu_list becomes invalid after file_free is called and queued via
* fu_rcuhead for RCU freeing
*/
union {
struct list_head fu_list;
struct rcu_head fu_rcuhead;
} f_u;
struct path f_path;
#define f_dentry f_path.dentry
#define f_vfsmnt f_path.mnt
const struct file_operations *f_op;
atomic_t f_count;
unsigned int f_flags;
mode_t f_mode;
loff_t f_pos;
struct fown_struct f_owner;
unsigned int f_uid, f_gid;
struct file_ra_state f_ra;
unsigned long f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
void *f_security;
#endif
/* needed for tty driver, and maybe others */
void *private_data;
#ifdef CONFIG_EPOLL
/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
struct list_head f_ep_links;
spinlock_t f_ep_lock;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
struct address_space *f_mapping;
};通过上述内容，我们得到了文件句柄fd与操作文件结构体file的绑定流程，下述将看看在一个进程里面，是如何管理文件句柄fd的
- 以下程序是一个非常简单的代码，在程序运行时，将传进一个文件名参数，程序将打开这个文件，打印出此文件的文件句柄fd，然后进入一个死循环
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
if(argc != 2)
{
printf("file name error\r\n");
return -1;
}
fd = open(argv[1], O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
perror("open:");
return -1;
}
printf("%s file fd is %d\r\n", argv[1], fd);
while(1)
{
sleep(100);
}
return 0;
}
- 在运行上述程序后，我们将会得到1.txt的文件句柄为3，且此进程号为4297
- 在使用 ls -l 指令查看 open 程序的进程后，我们可以发现，此进程一共打开了4个文件，0为标准输入，1为标准输出，2为标准错误，3为1.txt文件句柄
- 在 do_sys_open 函数执行过程中，有一个 fd_install 函数，他只要执行的工作就是将参数的文件句柄与当前的进程进行绑定，换句话说，每一个进程的文件句柄都是独立的，在不同的进程里面，同一个数字的文件句柄也可能指向不同的文件
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); /* 获取未使用的函数句柄 */
if (fd >= 0) {
struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, flags, mode, 0); /* 打开文件，得到file结构体 */
if (IS_ERR(f)) {
put_unused_fd(fd);
fd = PTR_ERR(f);
} else {
fsnotify_open(f);
fd_install(fd, f); /* 在当前进程里面记录下来 */
}
}
putname(tmp);
}
return fd;
}void fd_install(unsigned int fd, struct file *file)//将文件对象 file 安装到进程的文件描述符表中
{
__fd_install(current->files, fd, file);
/*current->files 是一个指向当前进程的文件描述符表的指针。
在操作系统中，每个进程都有一个与之关联的文件描述符表，用于跟踪进程打开的文件和文件描述符的状态。
current 表示当前正在执行的进程，而 current->files 则是获取该进程的文件描述符表的方式之一。
它是进程控制块（Process Control Block，PCB）中的一个成员变量。
通过 current->files，可以访问当前进程的文件描述符表，并对其中的文件对象进行操作，如打开、关闭、读取、写入等。
文件描述符表是一个数组或链表的形式，在操作系统内核中维护着每个文件描述符对应的文件对象信息。*/
}- 在上述 fd_install 函数中，current 代表的是一个task_struct的结构体，task_struct是一个很庞大的结构体，现在我们只关心它很小的一部分，其中current->files是一个指向当前进程的文件描述符表的指针，从以下关系可以看出，current->files里面有一个 struct fdtable 类型的指针，struct fdtable 里面呢具有一个 struct file 类型的数组，这个数组就存放了不同文件的文件描述结构体
- 从下述图片中我们可以理解更清晰一点，当使用 open 函数打开 1.txt 时，得到的文件句柄 fd 为3，实际上代表的是当前进程中的 fdtable 结构体中 fd 数组中的第四个元素是1.txt 的文件描述符
# 系统I/O
1. open()
使用man 2 open查看使用手册
函数原型：
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
函数参数：
mode：
返回值：
- 返回值类型：
int - 调用成功时返回一个文件描述符
fd - 调用失败时返回
-1，并设置errno
2. read()
使用man 2 read查看使用手册
函数原型：
ssize_t read(int fd, void buf[], size_t count);函数参数：
| 参数 | 意义 |
|---|---|
fd |
即将读取文件的文件描述符 |
buf |
存储读入数据的缓冲区 |
count |
将要读入的数据的个数 |
返回值：
- 返回值类型是：
ssize_t，32位机上等同于int - 成功时返回读取的字节数
- 出错时返回EOF，读到文件末返回0
3. write
使用man 2 write查看使用手册
函数原型：
ssize_t write(int fd, const void buf[.count], size_t count)函数参数：
| 参数 | 意义 |
|---|---|
| fd | 即将读取文件的文件描述符 |
| buf | 要写入的数据缓冲区 |
| count | 写入数据的个数,大小不应该大于buf大小 |
返回值：
- 返回值类型为：
ssize_t - 成功时返回写入的字节数
- 出错时返回EOF，读到文件末返回0
4. close
使用 man 2 close查看使用手册
函数原型：
int close(int fd);函数参数：
- fd： 要关闭的文件描述符。
返回值：
- 关闭成功时返回0，出错时返回EOF.。
5. lseek
使用 man 2 lseek查看使用手册
函数原型：
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
函数参数：
| 参数 | 意义 |
|---|---|
| fd | 文件描述符 |
| offset | 偏移量，可正可负 |
| whence | 指定一个基准点，基准点+偏移量等于当前位置 |
whence：
返回值：
- 返回值类型为：
off_t, 32位机等同于int - 成功时则返回目前的读写位置, 也就是距离文件开头多少个字节
- 出错时返回-1, errno 会存放错误代码.
6. dup
使用 man 2 dup查看使用手册
函数原型：
int dup(int oldfd)函数参数：
返回值：
- 一个新的文件描述符，失败为-1
函数说明：
用来打开一个新的文件描述符，指向和oldfd同一个文件，共享文件偏移量和文件状态。
当我们调用dup(3)的时候，会打开新的最小描述符，也就是4，这个4指向了3所指向的文件，后续操作这两个中任意一个fd都有一样的效果。
函数原型：
int dup2(int oldfd, int newfd)函数参数：
返回值：
- 如果出错就返回-1，否则返回的就是newfd
函数说明：
dup2是直接让传入的参数newfd与参数oldfd指向同一文件表项，如果newfd已经被open过，那么就会先将newfd关闭，然后让newfd指向oldfd所指向的文件表项，如果newfd本身就等于oldfd，那么就直接返回newfd
假设我们使用 dup2(3, 4) 则呈现以下效果：
