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I/O--基础篇

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什么是I/O

I/O即输入/输出(Input/Output),是在主存和外部设备(如磁盘驱动器、终端和网络)之间拷贝数据的过程。输入操作时从I/O设备拷贝数据到主存,而输出操作是从主存拷贝数据到I/O设备。

什么是UnixI/O?

要知道I/O设备都是千差万别的,有磁带、有磁盘、有光驱、有终端、有网络,但这些设备无外乎就做两件事,输入和输出。所以在Unix的对此就设计得非常聪明,将所有的I/O设备,如网络、磁盘和终端,都模型化为文件,而所有的输入和输出都被当做对相应文件的读和写来执行。这种将设备优雅地映射为文件的方式,允许Unix内核引出一个简单、低级的应用接口,称为Unix I/O。这使得所有的输入和输出都能以一种统一且一致的方式来执行。这样就极大程度地简化了提供给程序员的设备接口。

一切皆文件

前面也提到了一切设备都映射为文件,文件可以分为如下几类:
特殊文件(special file)
:所有的设备都用文件来表示,这些文件被称为特殊文件(special file),存放在/dev中。因此,磁盘文件和其他设备都用同一的方式来命名和访问。
正常文件(regular file): 只是磁盘上的一个普通文件。
块特殊文件(block special file):表示特性与磁盘类似的设备。磁盘驱动程序以块或者组块的形式从块特殊设备中传送信息,这些设备通常具有从设备任何地方检索块的能力
字符特殊文件(character special file):表示特性和终端类似的设备。这些设备看起来表示的是一串必须按照顺序访问的字节流

文件描述符

一个应用程序通过要求内核打开相应的一个文件,来宣告他要访问一个I/O设备。内核返回一个非负整数,叫做文件描述符。文件描述符相当于一个逻辑句柄,以此将文件或物理设备进行关联,操作这个文件描述符就等同于操作这个文件或物理设备。
Unix Shell创建的每个进程开始时都有三个打开的文件:标准输入、标准输出、标准错误

文件描述符 对应的数字
STDIN_FILENO 标准输入设备 0
STDOUT_FILENO 标准输出设备 1
STDERR_FILENO 标准错误设备 2

描述符表(descriptor table)

每个进程又有它独立的描述符表,它的表项是由进程打开的文件描述符来索引的。每个打开的描述符表项指向文件表中的一个表项。

文件表(file table)

打开文件的集合是由一张文件表来表示的,所有的进程共享这张表。每个文件表的一个条目包含有当前的文件位置、引用计数(reference count)(即当前有多少个描述符指向了这个文件),以及一个指向v-node表中对应条目的指针。关闭一个描述符会减少相应的文件表条目中的引用计数。内核不会删除这个文件表的单条记录,直到它的引用计数为0.

v-node表(v-node table)

同文件表一样,所有的进程共享这张v-node表。每个表项包含stat结构中的大多数信息,包括st_mode和st_size成员。当程序打开一个当前没有打开的特定物理文件时,内核会在v-node表中创建一个条目

上图为典型的打开文件的内核数据结构,两个描述符引用不同的文件。

了解了上面的概念之后,再进一步熟悉一下Unix I/O的API

Unix I/O API

1.打开和关闭文件

open函数:
open函数将一个文件描述符与一个文件或物理设备关联起来。程序可以通过调用open函数来打开或创建一个文件

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
int open(char *path , int flags, mode_t mode);
返回:成功的话返回打开的文件描述符(filedes),失败返回-1并设置errno.

path

指向文件或设备的路径名。
flags

为打开的文件指定状态标识符和访问模式。

可以通过对访问模式标识符和附加标识符进行按位或(|)的方式来构建oflag。访问模式标识符的POSIX值为O_RDONLY,O_WRONLY,O_RDWR。必须指定其中一个来说明只读,只写或读写访问。

附加标识符包括
O_APPEND 写操作之前使文件偏移到文件末端,用于向一个已存在文件添加内容
O_CREAT, 如果文件不存在,则创建之,同时必须向open函数传递第三个参数来指定权限
O_EXCL, 避免重写文件,使用O_CREAT | O_EXCL的形式。如果文件已存在,则报错
O_NOCTTY, 防止一个已打开的设备变成一个控制终端
O_NONBLOCK, 控制open是立即返回还是阻塞到设备维持好
O_TRUNC 与APPEND相反,将写操作打开的文件长度删减为0

mode

为访问权限。如果要创建一个文件,就要包含第三个参数来指定访问权限。

比如以只读方式打开:

int fd;
fd = open("foo.txt",O_RDONLY);

用户可以对新文件进行读写,所有其他人则只有读权限:

int fd;
mode_ t fdmode = (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_ IROTH);
if((fd = open("info.dat",O_RDWR | O_CREAT , fdmode))==-1)
perror("...");       

close函数:
用于关闭一个打开的文件

#include <unistd.h>
int close(int fd);
返回:成功为0,出错为-1

用户可以对新文件进行读写

2.读和写文件

用户可以对新文件进应用程序通过调用read和write函数来执行输入和输出的。

read函数

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);
返回:若成功则为读的字节数,若EOF则为0,若出错为-1

read函数从描述符为fd的当前文件位置拷贝最多n个字节到存储器位置buf。

write函数

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);
返回:若成功则为写的字节数,若出错则为-1

write函数从存储器位置buf拷贝至多n个字节到描述符fd的当前文件位置。

Standard I/O(标准I/O)

ANSI C定义了一组高级输入输出函数,称为标准I/O库,为程序员提供了Unix I/O的较高级别的替代。这个库(libc)提供了打开和关闭文件的函数(fopen 和 fclose)、读和写字节的函数(fread和fwrite)、读和写字符串的函数(fgets和fputs),以及复杂的格式化的I/O函数(scanf和printf)。

标准I/O函数是磁盘和终端设备I/O之选。大多数C程序员在他们的职业生涯中只使用标准I/O,大多数情况下也推荐使用标准I/O。

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