Linux系统编程（2）——文件与IO之系统调用与文件IO操作

系统调用是指操作系统提供给用户程序的一组“特殊”接口，用户程序可以通过这组“特殊”接口来获得得操作系统内核提供的特殊服务。在linux中用户程序不能直接访部内核提供的服务。为了更好的保护内核空间，将程序的运行空间分为内核空间和用户空间，他们运行在不同的级上，在逻辑上是相互隔离的。

在linux中用户编程接口（API）遵循了在UNIX中最流行的应用编程界面标准——POSIX标准。这些系统调用编程接口主要通过C库（libc）实现的。

POSIX（Portable OperatingSystem Interface）是由IEEE制定的标准，致力于统一各种UNIX系统的接口，促进各种UNIX系统向互相兼容的发向发展。IEEE 1003.1（也称为POSIX.1）定义了UNIX系统的函数接口，既包括C标准库函数，也包括系统调用和其它UNIX库函数。POSIX.1只定义接口而不定义实现，所以并不区分一个函数是库函数还是系统调用，至于哪些函数在用户空间实现，哪些函数在内核中实现，由操作系统的开发者决定，各种UNIX系统都不太一样。IEEE 1003.2定义了Shell的语法和各种基本命令的选项等。本书的第三部分不仅讲解基本的系统函数接口，也顺带讲解Shell、基本命令、帐号和权限以及系统管理的基础知识，这些内容合在一起定义了UNIX系统的基本特性。

在UNIX的发展历史上主要分成BSD和SYS V两个派系，各自实现了很多不同的接口，比如BSD的网络编程接口是socket，而SYSV的网络编程接口是基于STREAMS的TLI。POSIX在统一接口的过程中，有些接口借鉴BSD的，有些接口借鉴SYSV的，还有些接口既不是来自BSD也不是来自SYSV，而是凭空发明出来的（例如本书要讲的pthread库就属于这种情况），通过Man Page的COMFORMING TO部分可以看出来一个函数接口属于哪种情况。Linux的源代码是完全从头编写的，并不继承BSD或SYSV的源代码，没有历史的包袱，所以能比较好地遵照POSIX标准实现，既有BSD的特性也有SYSV的特性，此外还有一些Linux特有的特性，比如epoll(7)，依赖于这些接口的应用程序是不可移植的，但在Linux系统上运行效率很高。

可用的文件I/O函数——打开文件、读文件、写文件等等。大多数linux文件I/O只需用到5个函数：open、read、write、lseek以及close。不带缓存指的是每read和write都调用内核中的一个系统调用。这些不带缓存的I/O函数不是ANSIC的组成部分，但是POSIX组成部分。

文件描述符

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。在POSIX.1应用程序中，整数0、1、2应被代换成符号常数STDIN_FILEN0、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO。这些常数都定义在头文件<unistd.h>中

文件描述符的范围是0~OPEN_MAX。早期的UNIX版本采用的上限值是19（允许每个进程打开20个文件），现在很多系统则将其增加至63。

open函数

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

返回：若成功为文件描述符，若出错为-1

pathname是要打开或创建的文件的名字。

oflag参数可用来说明此函数的多个选择项。

对于open函数而言，仅当创建新文件时才使用第三个参数。

用下列一个或多个常数进行或运算构成oflag参数（这些常数定义在<fcntl.h>头文件中）：

必选项：以下三个常数中必须指定一个，且仅允许指定一个。

O_RDONLY 只读打开

O_WRONLY 只写打开

O_RDWR 可读可写打开

以下可选项可以同时指定0个或多个，和必选项按位或起来作为flags参数。可选项有很多，这里只介绍一部分，其它选项可参考open(2)的Man Page：

O_APPEND 表示追加。如果文件已有内容，这次打开文件所写的数据附加到文件的末尾而不覆盖原来的内容。

O_CREAT 若此文件不存在则创建它。使用此选项时需要提供第三个参数mode，表示该文件的访问权限。

O_EXCL 如果同时指定了O_CREAT，并且文件已存在，则出错返回。

O_TRUNC 如果文件已存在，并且以只写或可读可写方式打开，则将其长度截断（Truncate）为0字节。

O_NONBLOCK 对于设备文件，以O_NONBLOCK方式打开可以做非阻塞I/O（Nonblock I/O），非阻塞I/O在下一节详细讲解。

注意open函数与C标准I/O库的fopen函数有些细微的区别：

以可写的方式fopen一个文件时，如果文件不存在会自动创建，而open一个文件时必须明确指定O_CREAT才会创建文件，否则文件不存在就出错返回。

以w或w+方式fopen一个文件时，如果文件已存在就截断为0字节，而open一个文件时必须明确指定O_TRUNC才会截断文件，否则直接在原来的数据上改写。

第三个参数mode指定文件权限，可以用八进制数表示，比如0644表示-rw-r--r--，也可以用S_IRUSR、S_IWUSR等宏定义按位或起来表示，详见open(2)的Man Page。要注意的是，文件权限由open的mode参数和当前进程的umask掩码共同决定。

补充说明一下Shell的umask命令。Shell进程的umask掩码可以用umask命令查看：

$ umask
0022

creat函数

可用creat函数创建一个新文件。

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

返回：若成功只为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。

close函数

可用close函数关闭一个打开文件：

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

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。

lessk函数——文件定位

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理处开始，并使偏移理增加所计或写的字节数。按系统默认，当打开一个文件时，除非指定O_APPEND选择项，否则该偏移量被设置为0。可以调用lseek显式地定位一个打开文件。

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

返回：若成功为新文件位移，若出错为-1。

对于参数offset的解释与参数whence的值有关。

若whence是SEEK_SET，则将该文件的位移量设置为距文件开始处offset个字节。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。若whence是SEEK_END，则将该文件的位移量设置为文件长度加offset,offset可为正或负。若lseek成功执行，则返回新的文件位移量，为此可以用下列方式确定一个打开文件的当前位移量：

off_t currpos;
currpos=lseek(fd,0,SEEK_CUR);

read函数

用read函数从打开文件中读数据

#include<unistd.h>
ssize_t read(int feledes,void *buff,size_tnbytes);

返回：读到的字节数，若已到文件尾为0，若出错为-1。如read成功，则返回读到的字节数。如已到达文件的尾端，则返回0。有多种情况可使实际读到的字节数小于要求读字节数：

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间还有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，通常一次最多读一行。

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。某些面向记录的设备，例如磁带，一次最多返回一个记录。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。

write函数

用write函数向打开文件写数据。

#include<unistd.h>
ssize_t write(int filedes,const void*buff,size_t nbytes);

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

nbytes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。