Linux系统编程：基本I/O系统调用

文件描述符

进程每打开一个文件的时候，会获得该文件的文件描述符，而后续的读写操作都把文件描述符作为参数。在用户空间或者内核空间，都是通过文件描述符来唯一地索引一个打开的文件。文件描述符使用int类型表示，文件描述符的范围从0开始，到上限值-1，默认情况下，上限值为1024，也就是说，进程默认情况下最多可以打开1024个文件。负数是不合法的文件描述符，当函数调用出错时，返回的文件描述符为-1。

每个进程都至少包含三个文件描述符：

文件描述符	表示	宏
0	标准输入（stdin）	STDIN_FILENO
1	标准输出（stdout）	STDOUT_FINENO
2	标准错误（stderr）	STDERR_FILENO

遵循Linux一切皆文件的概念，文件描述符除了访问普通文件外，几乎能够访问任何能够读写的东西。包括设备文件、管道、先进先出缓冲区、套接字等。

open()系统调用

对文件进行读写之前，必须先打开文件。Linux提供了系统调用open()。open()有两个函数原型：

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

两个函数均可用来打开文件，第二个函数比第一个多了参数mode，mode指定文件的权限---当创建新文件的时候才需要。如果文件打开成功，则返回文件描述符，指向pathname所指定的文件。flags参数用于指定打开的方式，它支持三种访问模式：

访问模式	描述
O_RDONLY	打开一个供读取的文件
O_WRONLY	打开一个供写入的文件
O_RDWR	打开一个可供读写的文件

flags参数还可以与下面的值进行按位或运算，修改打开文件的行为：

打开方式	描述
O_APPEND	写入的所有数据将被追加到文件的末尾
O_CREAT	打开文件，如果文件不存在则建立文件
O_EXCL	如果已经设置了O_CREAT且文件存在，则强制open()失败，只能与O_CREAT搭配使用
O_TRUNC	如果文件存在，且是普通文件，并且有写权限，将文件内容清空
O_NONBLOCK	文件以非阻塞模式打开，请见read系统调用

举个例子，下面的句子表示：以写的方式打开文件，如果文件不存在，则创建新的文件，并且文件的内容为空：

int fd ;
fd = open("file.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC，0644);

这里的0644指定了新创建的文件访问权限，参数mode的取值如下：

打开方式	描述
S_IRUSR	文件所有者有读权限
S_IWUSR	文件所有者有写权限
S_IXUSR	文件所有者有执行权限
S_IRWXU	文件所有者有读、写、执行权限
S_IRGRP	组用户有读权限
S_IWGRP	组用户有写权限
S_IXGRP	组用户有执行权限
S_IRWXG	组用户有读、写、执行权限
S_IROTH	所有人有读权限
S_IWOTH	所有人有写权限
S_IXOTH	所有人有执行权限
S_IRWXO	所有人有读、写、执行权限

实际上最终写入磁盘的文件访问权限是由mode参数和用户的文件创建掩码（umask）执行按位与操作得到的。举个例子：

int main()

{
        int fd;
        fd = open("TEST.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,S_IRWXU|S_IRWXG|S_IRWXO );//以只读方式打开文件
        //等价于  fd = open("TEST.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0777 );//以只读方式打开文件
        if(fd == -1)
                perror("open file error!");
        return 0;
}

按理来说，创建出来的文件的访问权限应该是-rwxrwxrwx，而查看后发现其实不是：

ls -l TEST.txt
-rwxrwxr-x 1 huanzhewu huanzhewu 0  5月  7 21:29 TEST.txt  【权限为0775】

查看当前的掩码：

$ umask
0002

可以发现 0775 = 0777 ^ (~0002) ，所以0775才是最后的文件访问权限。umask是进程级属性，通过调用umask()函数来修改，支持用户修改新创建的文件和目录的权限。

总结起来可以得到这样一条公式：

newmode = mode ^ (~ umask)

总结一下：至此，我们了解了文件打开所提供的两个系统调用函数open()，了解了打开文件的方式、新建文件的访问权限设置。如果文件打开成功，那么将返回一个文件描述符，这是一个非零整数（因为0,1,2是进行已经拥有的文件描述符），否则函数将返回-1

creat()系统调用

顾名思义，creat函数用来创建一个文件，不过我们可能产生疑问：前面的open函数使用一些选项后，不是也可以创建新文件吗？没错，creat函数完全等价与下面的open语句：

int fd ;
fd = open("file.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC，0644);
fd = creat("file.txt,0644");   /*两个语句的作用完全等价*/

由于选项O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC组合经常使用，因而系统调用专门使用creat函数来提供这个功能。creat函数的原型如下：

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

其中参数的描述与open的参数一致，这里不再赘述。

read()系统调用

文件打开后，就能够读文件了。read（）是最基础、最常见的读取文件的机制。read的函数原型为：

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

fd 为文件描述符。每次调用read函数时，会从fd指向的文件的当前偏移（或称文件位置）开始读取count字节到buf所指的的内存中。随着文件的读取，fd的文件位置指针会向前移动。关于read的读取，会出现很多需要思考的问题：

1. 问题一：如果文件长度为0
2. 问题二：如果文件长度不够count长度
3. 问题三：如果读取时，read被信号中断了

我们一一来看：

1. 问题1属于“没有数据可读”，此时read调用会阻塞，直到有数据可读；
2. 问题2属于到达数据结尾（EOF），此时read调用返回0；
3. 问题三，read调用返回大于0小于count的值；如果在读取任何数据之前被信号中断，则返回-1，同时把errno设置为EINTR。

由于read有这么多需要考虑的问题，如果希望每次都能读入count个字节，下面是一段示例代码：

//保证读取200个字节到ptr中

ssize_t ret ;
int len = 200;
 while(len!= 0 && ( ret = read(fd, ptr, len )) != 0)
 {
                if(ret == -1)
                {
                        if( errno == EINTR)
                                continue;
                        perror("read");
                        break;
                }
                len -= ret ;
                ptr += ret ;
    }

再来看看问题1，当文件没有数据可以读时（一开始就没有），read调用会被阻塞，直到文件有数据可以读，这是一种阻塞I/O。如果文件以O_NONBLOCK模式打开，则文件为非阻塞模式，当文件没有数据可以读时，read系统调用返回-1，并把errno设置为EAGAIN。

        ssize_t ret ;
        int len = 200;
        while(len!= 0 && ( ret = read(fd, ptr, len )) != 0)
        {
                if(ret == -1)
                {
                        if( errno == EINTR)
                        {
                                printf("读取被中断\n");
                                continue;
                        }
                        if(errno== EAGAIN)
                        {
                                printf("文件没有可读\n");
                                //重新提交读取
                                continue;
                        }
                        break;
                }
                len -= ret ;
                ptr += ret ;
        }

除了errno被设置为EINTR与EAGAIN，其他情况下都是出现严重的文件读取错误，重新执行读操作不会成功。

write() 系统调用

write的函数原型为：

    #include <unistd.h>
    ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);  【将buf中count个字节的内容写入fd指定的文件中】

write的返回值比较简单：

• 写入失败返回-1 ，同时设置errno的值
• 写入成功返回成功写入的字节数。
• 返回0时没有特殊含义，仅表示写入了0个字节的内容。

对于普通文件，write基本能保证每次执行调用能够写入全部的内容。对于其他文件如socket，需要进行循环写，保证所有的字节都写入了文件中：

ssize_t ret ;
int len = 200;
 while(len!= 0 && ( ret = write(fd, ptr, len )) != 0)
 {
                if(ret == -1)
                {
                        if( errno == EINTR)
                                continue;
                        perror("write");
                        break;
                }
                len -= ret ;
                ptr += ret ;
    }

同样的，当以非阻塞的模式打开文件时（O_NONBLOCK），系统调用write()会返回-1，并把errno设置为EAGAIN。

系统调用write()时，数据从用户空间的缓冲区中拷贝到了内核空间的缓冲区，但并没有立即把数据写入磁盘中，这称为延迟写。延迟写的问题在于，如果在数据真正写入磁盘之前系统崩溃了，则数据可能丢失。内核设置了一个时间，在该时间内将内核空间缓冲区上的数据写入磁盘，该时间称为"最大存放时效"。Linux系统也支持强制文件立即写入磁盘上，这在后面介绍。

close()系统调用

程序完成文件的读写后，调用close函数关闭文件描述符与文件之间的连接，使得文件描述符可以被重用。close的函数原型为：

#incldue<unistd.h>
int close (int fd);

文件关闭成功返回0，出错返回-1，并设置相应的errno。文件成功关闭并不以为着该文件的数据已经被写入磁盘，同步选项在后续介绍。

总结:本文简单介绍了文件的打开、创建、读写、关闭操作，介绍了一些常用的open参数选项，creat与open的等价性，循环读、循环写的必要性，也关注了各个系统调用的返回值含义，了解如何设置非阻塞读写，并简单提到了延迟写的问题，在后续的文件中将介绍同步I/O的内容。

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