系统级I/O

输入与输出 (I/O) 是在主存和外部设备（例如磁盘驱动器、终端和网络）之间复制数据的过程。

UNIX I/O

  • 所有的设备（例如网络、磁盘和终端）都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当作对相应文件的读和写来执行。
  • 打开文件。一个应用程序通过要求内核打开相应的文件，来宣告它想要访问一个设备。内核返回一个小的非负整数，叫做描述符，它在后续对此文件的所有操作中标识这个文件。内核记录有关这个打开文件的所有信息。应用程序只需记住这个描述符。
  • Linux shell 创建的每个进程开始时都有三个打开的文件：
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/*								 /usr/include/unisted.h 						 */
#define STDIN_FILENO    0       /* Standard input.  */
#define STDOUT_FILENO   1       /* Standard output.  */
#define STDERR_FILENO   2       /* Standard error output.  */
  • 改变当前的文件位置。对于每个打开的文件，内核保持着一个文件位置 k, 是从文件开头起始的字节偏移量。
  • 读写文件。当读操作文件位置k大于文件大小时，触发 end-of-file(EOF) 的条件，应用程序能检测到这个条件。但是在文件结尾没有明确的“EOF”符号。
  • 关闭文件。当应用完成了对文件的访问之后，它就通知内核关闭这个文件。作为响应，内核释放文件打开时创建的数据结构，并将这个描述符恢复到可用的描述符池中。

文件

文件类型：

  • 普通文件 (regular file)包含任意数据 。分为文本文件 (text file) 和二进制文件 (binary file) , 对内核而言，文本文件和二进制文件没有区别。
  • 目录（directory)是包含一组链接 (link)的文件，其中每个链接都将一个文件名(filename) 映射到一个文件，这个文件可能是另一个目录。每个目录至少含有两个条目：“．”是到该目录自身的链接，以及”.. “是到目录层次结构中父目录的链接。
  • 套接字 (socket) 是用来与另一个进程进行跨网络通信的文件 。
  • 命名通道 (named pipe) 、符号链接 (symbolic link), 以及字符和块设备 (character and block device) ·······

Linux 内核将所有文件都组织成一个目录层次结构 (directory hierarchy) , 由名为／（斜杠）的根目录确定。系统中的每个文件都是根目录的直接或间接的后代。

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路径名可分为：绝对路径名（absolute pathname）和相对路径名（relative pathname）

打开和关闭文件

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#include <sys/types.h> 		//包含了一些系统数据类型的定义
#include <sys/stat.h> 		//包含了文件状态信息的相关定义，比如文件的权限、大小等。
#include <fcntl .h> 		//包含了文件控制相关的函数定义，比如打开文件、设置文件属性等。
#include <unistd.h>
int open(char *filename, int flags, mode_t mode); 		//返回进程中当前没有打开的最小描述符
int close(int fd);

读和写文件

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#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.

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.

//ssize_t为long

RIO包

  • 无缓冲的输入输出函数
  • 带缓冲的输入函数

//TODO

读取文件元数据

  • 通过调用stat和fstat函数检索元数据
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#include "csapp.h"

int main (int argc, char **argv)
{
    struct stat stat;
    char *type, *readok;

    /* $end statcheck */
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "usage: %s <filename>\n", argv[0]);
        exit(0);
    }
    /* $begin statcheck */
    Stat(argv[1], &stat);
    if (S_ISREG(stat.st_mode))     /* Determine file type */
        type = "regular";
    else if (S_ISDIR(stat.st_mode))
        type = "directory";
    else
        type = "other";
    if ((stat.st_mode & S_IRUSR)) /* Check read access */
        readok = "yes";
    else
        readok = "no";

    printf("type: %s, read: %s\n", type, readok);
    exit(0);
}

读取目录内容

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#include "csapp.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    DIR *streamp;
    struct dirent *dep;

    /* $end readdir */
    if (argc != 2) {
        printf("usage: %s <pathname>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    /* $begin readdir */
    streamp = Opendir(argv[1]);		//成功返回指针，出错返回NULL

    errno = 0;
    while ((dep = readdir(streamp)) != NULL) {		//成功返回下一个目录项的指针，没有更多目录项或出错返回-1
        printf("Found file: %s\n", dep->d_name);
    }
    if (errno != 0)
        unix_error("readdir error");

    Closedir(streamp);		//成功返回0，失败返回-1
    exit(0);
}

共享文件

内核用三个数据结构描述打开的文件：

  • 描述符表 (descriptor table)。每个进程都有它独立的描述符表。
  • 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。内核不会删除这个文件表表项，直到它的引用计数为零。
  • v-node (v-node table) 同文件表一样，所有的进程共享。

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  • 当以同一个filename调用open两次

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  • 父子进程共享相同的打开文件表集合

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I/O重定向

  • >重定向操作符
  • dup2(int oldfd,int newfd)复制描述符表表项 oldfd 到描述符表表项 newfd, 覆盖描述符表表项 newfd 以前的内容。

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标准I/O

  • fopen()和fclose()
  • fread()和fwrite()
  • fgets()和fputs()

标准I/O将打开的文件模型化为一个流（相当于一个指向FILE类型的指针）

每个ANSI C 程序开始时都有三个打开的流stdin 、stdout和stderr, 分别对应于标准输入、标准输出和标准错误：

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#include <stdio.h>
extern FILE *Stdin; // Standard input (descriptor 0) 
extern FILE *Stdout; // Standard output (descriptor 1) 
extern FILE *stderr; // Standard error (descriptor 2)