APUE学习笔记——3.文件共享与fcntl介绍

基本概念

内核使用3个数据结构描述一个打开的文件：进程表、文件表、V节点表

首先了解3种数据结构的概念

    1 进程表

        每一个进程有一个进程表。进程表里是一组打开的文件描述符，如标准输入0，标准输出1，标准错误2...

    2 文件表

        进程打开一个文件时，内核就为该文件创建一个文件表。

        进程表对文件表一般是 一对多的关系    文件表对文件描述符也是一对多的关系（可能多个文件描述符指向同一文件表）

（这里解释下为什么进程表和文件表一对多的关系只是一般情况下，有什么特殊情况呢？  当父进程fork一个子进程时，复制了它的进程表，导致多个进程表对一个文件表）

         文件表中包含了文件状态标志、当前偏移量、和V-node
pointer表项

        
   文件状态标志如：read,  write,  append,  sync, nonblocking等等

            偏移量好理解，就不多解释了（它在write时会变化）

            V-node
pointer就是指向V-node表的指针

        

    3 V节点表（Linux只有i节点表）

        每一个没打开的文件有一个V节点表。V-node table实际上跟进程关系不大，主要跟被打开的文件相关。一个打开的文件只有一个v-node表，所有打开它的进程共用此表

        文件表对V节点表示多对一的关系。

        V-node表主要是描述了文件信息、数据的访问入口

一个进程打开多个文件

    如《APUE E3rd》的Figure3.7所示，一个进程打开多个文件。

    文件描述符0和1各通过一个文件表打开一个文件

    注：可能文件描述符0和3指向同一个文件表

多个进程打开一个文件

    

    如《APUE E3rd》中figure 3.8所示，两个进程打开同一个文件。

    两个进程使用的文件表都是进程独有的。也就是说一个文件表虽然是内核维护的，但它至属于某一个特定进程。

fcntl

    功能描述：通过文件描述符来操作文件的属性。

    形式：

#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd,int cmd,... /* intarg */ );
            Returns: depends on cmd if OK (see following),−1 on error

    描述：fcntl()可以改变已打开文件的性质。参数fd是一打开的文件描述符，cmd是特定的命令，第三个参数是否存在取决于cmd的值。第三个参数如果存在一般为整形，也可能是struct flock *类型的结构体指针。

    返回值：返回值是否存在也取决于cmd，一般错误返回-1，F_DUPFD , F_GETFD , F_GETFL以及F_GETOWN会返回文件描述符或者文件的一些属性。

    一般在下面五种情况下使用fcntl()函数

    1. 复制一个已存在的文件描述符(cmd=F_DUPFD、F_DUP、FD_CLOEXEC)

    2. 取得/设置已存在文件描述符的标志(cmd=F_GETFD、F_SETFD)

    3. 取得/设置已存在文件描述符的状态标志（cmd=GETFL、SETFL）

    4. 取得/设置异步I/O时文件的所有权（cmd=GETOWN、SETOWN+）

    5. 取得/设置异步锁(cmd=GETLK、SETLK、SETLKW)

    文件标志位：进程表中每一条记录都对应了一个文件描述符的fd标志位和指向文件表的指针，fd标志位目前只定义了FD_CLOEXEC一项。因此，fd标志位就是FD_CLOEXEC

cmd参数

F_DUPFD：

    复制一个已存在的文件描述符，新文件描述符作为函数的返回值，其取值一般是不小于3且还没被打开的文件描述符。新旧两个文件描述符共享文件表，但是两个描述符有不同的fd标志位（进程表中每一个表项记录了一个文件描述符的fd标志位和指向文件表的指针）。使用F_DUPFD时，fd标志位的FD_CLOEXEC将被清零^①  。

F_DUPFD_CLOEXEC

    复制一个已存在的文件描述符，与F_DUPFD不同之处在于其设置了FD_CLOEXEC。也就是在使用exec是文件被关闭。

F_GETFD

    返回文件标志位，目前文件标志位只定义了FD_CLOEXEC，因此返回值就是FD_CLOEXEC的值。

F_SETFD

    设置文件标志位（即设置FD_CLOEXEC），设置的值在第三个参数。

F_GETFL

    返回该文件描述符对应的文件状态标志位file status flag。文件状态标志位主要有O_RDONLY、O_WRONLY，本文后面进一步讨论。

F_SETFL

    设置文件状态标志。只有O_APPEND、O_NONBLOCK、O_SYNC、O_DSYNC、O_RSYNC、O_FSYNC、O_ASYNC其中状态标志可以被更改（设置）。

F_GETOWN

    取得当前正在接收SIGIO或者SIGURG信号的进程id或进程组id，进程组id返回的是负值(arg被忽略)

F_SETOWN

    设置将接收SIGIO和SIGURG信号的进程id或进程组id，进程id和进程组id通过第三个参数arg传入（只能传一个，要么进程id，要么进程组id），arg为正值表示传入的是进程id，arg为负值则传入的是进程组id。

F_GETLK    

    取得文件的锁定状态，如果被锁定了，则将锁定信息重写到第三个参数arg(一个指向flock的结构体的指针)。如果未被锁定状态，则除了struct flock的l_type被设置为F_UNLCK外，其他成员不变。 

F_SETLK    

    通过第三个参数arg（struct flock*）锁定文件。如果read lock和write lock设置失败，则返回EACCES  or  EAGAIN

F_SETLKW   

   类似F_SETLK，不同的是当设置锁发生阻塞时，它会等待（W是wait的意思），直至设置锁完成

文件状态标志

    O_RDONLY , O_WRONLY与O_RDWR 还有后面的O_EXEC、O_SEARCH并不是每一项占一位的，因此，在获取文件状态时，为取得文件当前的存取模式，需要用O_ACCMODE与F_GETFL操作返回的值进行与运算

    关于文件标志位的值，如下在系统头文件fcntl.h（我的熊中是/usr/include/i386-linux-gnu/bits/fcntl）

/* open/fcntl - O_SYNC is only implemented on blocks devices and on files
   located on a few file systems.  */
#define O_ACCMODE          0003
#define O_RDONLY             00
#define O_WRONLY             01
#define O_RDWR               02
#define O_APPEND          02000
#define O_NONBLOCK        04000
#define O_NDELAY        O_NONBLOCK
#define O_SYNC         04010000
#define O_FSYNC          O_SYNC
#define O_ASYNC          020000

可以看到《APUE》中关于O_SYNC的讨论实际上代码中已经有给出注释。

结构体指针 struct flock*

struct flock {
        short  l_type; /* F_RDLCK, F_WRLCK, or F_UNLCK */
        short  l_whence; /* SEEK_SET, SEEK_CUR, or SEEK_END */
        off_t  l_start;  /* offset in bytes, relative to l_whence */
        off_t  l_len; /* length, in bytes; 0 means lock to EOF */
        pid_t  l_pid; /* returned with F_GETLK */
};

注解：

①    FD_CLOEXEC为0时，表示使用exec函数族时文件描述符fd会被传入exec()创建的新进程，如果FD_CLOEXEC为1，则文件被关闭

②

③

④