Unix高级编程学习笔记（2）

Linux系统可以看成是一个由文件组成的系统，在linux系统中，基本上所有的设备，硬件，资源都被看成一个文件，比如，在/dev下面我们可以看到我们的硬盘sda1，终端设备ttyn，在/proc目录下面我们可以看到当前的内存信息，cat /proc/meminfo,可以查看CPU的信息: cat /proc/cpuinfo , 这些文件都是被linux系统抽象成了一个个的文件，通过对文件的操作来，对具体的硬件操作。
对一个文件的操作可以分为，打开， 读取，写入，关闭等，因此我们对硬件设备文件的操作也抽象成了，对其文件的读取，写入，比如：我们要打印一个字符串到屏幕上，在Linux里面屏幕这个硬件被抽象成了一个文件，我们可以通过往那个文件里面写入字符串，来实现打印。再比如现在有一个串口，他要和其它的一个PC通过串口通信，这个串口在系统里也被抽象成了一个文件，我们可以通过从文件读来取出串口上发过来的数据，通过写入，来向另外一个PC发送数据。看下面的程序：

  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>

  int main(void)
  {
          if(write(STDOUT_FILENO, "hello world", 11) < 0)
                   perror("write");
          return 0;
  }

它就是向STDOUT_FILENO这个文件里面写入helloworld 这11个字符，这个STDOUT_FILENO是什么东西呢？这个定义在了/usr/include/unistd.h文件里，定义如下：

#define STDIN_FILENO 0 /* Standard input. */
#define STDOUT_FILENO 1 /* Standard output. */
#define STDERR_FILENO 2 /* Standard error output. */

通过后面的注释可以看出，这个宏定义表示的是标准输出，也就是屏幕，那它为什么是1呢。我们引出了下面的术语，文件描述符（File descriotor）
对于内核而言，所有打开文件都由文件描述符引用。文件描述符是一个非负整数。当打开一个现存文件或创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。当读、写一个文件时，用open或creat返回的文件描述符标识该文件，将其作为参数传送给read或write。
有三个特殊的文件描述符，每个进程在创建时，都默认打开三个文件描述符。

• standard input(0) 默认是键盘
• standard output(1) 默认是屏幕
• standard error(2) 默认是屏幕

上面的STDOUT_FILENO就是标准输出文件描述符，它和我们标准C库里的文件指针很相似，只是相似，完全不一样。
其实如果你分析了内核的源码后会发现，文件描述符，其实是当前程序打开文件结构数组的下标，当一个程序启动时，系统默认的让他打开了三个文件，就是标准输入，标准输出，标准错误输出，它们的在打开文件结构数据的下标就是0，1，2，因此，如果我的程序再打开一个新的文件，那么应该这个下标（文件描述符）就应该是3.

文件描述符的范围是0 ~ OPEN_MAX 。OPEN_MAX 具体值是多少，可以运用grep命令去搜索。

open()函数
看其字面意思就是打开一文件的意思。下面看它的具体

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int oflag);
int open(const char *pathname, int oflag, mode_t mode);

返回值：若成功为文件描述符，若出错为- 1 (与fopen区别开NULL,因为他返回的是FILE指针）
pathname:是要打开或创建的文件的名字。

oflag参数（定义在fcntl.h头文件）：

• O_RDONLY只读打开。 (互斥)
• O_WRONLY 只写打开。 (互斥)
• O_RDWR 读、写打开。 (互斥)
• O_APPEND 每次写时都加到文件的尾端。
• O_CREAT 若此文件不存在则创建它。使用此选择项时，需同时说明
  mode参数，用其说明该新文件的存取许可权位。

mode参数:

• O_EXCL 如果同时指定了O_CREAT，而文件已经存在，则出错。这可测试一个文件是否存在，如果不存在则创建此文件成为一个原子操作。
  O_TRUNC 如果此文件存在，则将其长度截短为0。
• O_NOCTTY 如果pathname指的是终端设备，则不将此设备分配作为此进程的控制终端。
• O_NONBLOCK 如果pathname指的是一个FIFO、一个块特殊文件或一个字符特殊文件，则此选择项为此文件的本次打开操作和后续的I/O操作设置非阻塞方式。
• O_SYNC 使每次write都等到物理I/O操作完成。

Open不仅可以打开一个文件，也可以去创建一个文件，这一点要注意下，其实在系统调用函数里面，还有一个真正的创建文件调用函数，creat函数。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int creat(const char * pathname, mode_t mode) ;

功能：创建一个新的文件。
返回值：若成功为只写打开的文件描述符，若出错为- 1。
注意，此函数等效于：
open (pathname, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode) ;
creat的一个不足之处是它以只写方式打开所创建的文件不能读。

read函数

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

功能： 从打开文件中读数据
返回：读到的字节数，读不到字节返回0，若count 为0返回0，若出错为- 1。
有多种情况可使实际读到的字节数少于要求读字节数：

• 读普通文件时，在读到要求字节数之前已到达了文件尾端。例如，若在到达文件尾端之前还有30个字节，而要求读100个字节，则read返回30，下一次再调用read时，它将返回0 (文件尾端)。
• 当从终端设备读时，通常以行为单位，读到换行符就返回。
• 当从网络读时，网络中的缓冲机构可能造成返回值小于所要求读的字节数。
• 读操作从文件的当前位移量处开始，在成功返回之前，该位移量增加实际读得的字节数。

wirte函数

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

功能：向打开文件写数据。
返回：若成功为已写的字节数，若出错为- 1。
其返回值通常与参数count的值不同，否则表示出错。write出错的一个常见原因是：磁盘已写满，或者超过了对一个给定进程的文件长度限制。

对于普通文件，写操作从文件的当前位移量处开始。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。

lseek函数

每个打开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、写操作都从当前文件偏移量处开始，并使偏移量增加所读或写的字节数。按系统默认，当打开一个文件时，除非指定O_APPEND选择项，否则该位移量被设置为0。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int filesdes, off_t offset, int whence) ;

功能：设置文件内容读写位置
返回：若成功为新的文件位移，若出错为- 1。
对参数offset 的解释与参数whence的值有关。

• 若whence是SEEK_SET，则将该文件的文件位移指针设置为距文件开始处offset 个字节。如果offset是0，就是回到文件首，返回值是0
• 若whence是SEEK_CUR ，则将该文件的位移量设置为其当前值加offset，offset可为正或负。如果offset是0，就是返回当前文件位移指针位置。
• 若whence是SEEK_END ，则将该文件的文件位移指针设置为文件长度加offset，offset可为正或负。如果offset是0，就是返回当前文件位移尾指针位置。
  注意：
  
  • 可以调用lseek显式地定位一个打开文件。
  • lseek仅记录当前文件的偏移量，而不会对文件进行I/O操作。
  • lseek的偏移量可以超过当前文件的字节总数，从而在文件中产生一个hole

看下面的例子：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
char buf1[] = "0123456789";
char buf2[] = "ABCDEFGHIJ";
int main(void)
{
     int fd;
     if((fd = creat("file.hole", O_RDWR | O_APPEND)) < 0)
             perror("Creat error");
     if(write(fd, buf1, 10) != 10)
             perror("buf1 write error");
     if(lseek(fd, 30, SEEK_CUR) == -1)
             perror("lseek error");
     if(write(fd, buf2, 10) != 10)
             perror("buf2 write error");
     exit(0);
}

先创建一个新文件file.hole，然后写入10个字节，再用lseek向后移动文件位置指针30个字节，这样，中间的这30个字节就是没有任何数据的，然后在当前文件位置指针处写入10个字节。这样就产生了一个文件空洞。我们来看下它占有多少磁盘空间。

我们通过ls –hl 命令可以看到它占有50个字节的磁盘空间，通过od命令（od -b 二进制查看）看出，中间30个字节是0，而我们用cat命令来查看，中间的30个字节没有显示出来。这说明，空洞文件是产生了，中间的30个字节是不可见字符，没有被显示出来，而其在硬盘里面却真正的占用了30个字节，空洞是否占用硬盘空间是由文件系统（file system）决定的。

close函数

#include <unistd.h>
int close (int filedes);

功能：关闭一个打开文件
返回：若成功为0，若出错为- 1
当一个进程终止时，它所有的打开文件都由内核自动关闭。很多程序都使用这一功能而不显式地用close关闭打开的文件。
上面几个系统调用的函数在我们的标准C里基本上都有对应的函数实现，比如fopen对应open, fclose对应close, fread对应read, fwrite对应wirte。
下面再看一个例子，标准C，与系统调用的区别：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
int main(void)
{
        /* system call open failed test */
        int fd;
        fd = open("noexit.txt", O_RDONLY);
        perror("open"); // open:+ 错误信息
        printf("fd:%d\n", fd);
        printf("errno:%d\n", errno);

        /* C library fopen failed test */
        FILE * fp;
        fp = fopen("noexit.txt", "r");
        perror("fopen");
        printf("fp:%d\n", fp);
        printf("errno:%d\n", errno);
        return 0;
}

分别用标准C的库fopen和系统调用的open打开两个相同的文件，这个文件在我这儿是不存在的，分别打印出它们的出错信息和出错号，和它们的文件描述符和文件指针。

系统调用open打开出错返回-1，而fopen返回类型是指针，因此返回是NULL,其类型是（void*）0,也就是0， 注意它们的出错信息，和错误号，都是一样的，因为标准C的函数最终也是调用的系统调用实现其功能的。