文件 IO

记录书中的重要知识和思考实践部分

Unix 每个文件都对应一个文件描述符（file descriptor），为一个非负整数，一个文件可以有多个fd， 后面所有与文件（设备，套接字等）有关操作都是围绕这个fd来的。
在shell中 < > 都为重定向符号，前者为重定向输入，后者为输出。

文件的打开

#include <fcntl.h>
int open(const char *path, int flags, ... /* mode_t mode */);
int openat(int fd, const char *path, int flags, ... /* mode_t mode */);

O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR, O_EXEC, O_SEARCH 这五个参数（flags）是必须的，另外可选的参数里面 O_CLOEXEC 与 FD_CLOEXEC 都是在 exec() 函数中关闭文件描述符的标志，这个后面会看到。

文件偏移量

#include <unistd.h>
int lseek(fd, off_t off, int wheren);

我们使用 lseek 函数的时候，比如lseek(fd, 10, SEEK_END); 这样会导致文件的偏移量增加而文件的大小仍然不变，
但是当再使用 write 函数向文件中写入数据时，直接给个例子更好理解, 文件 foo 中原有数据为123。

int fd;
if ((fd = open("./foo", O_RDWR)) < 0)
        err_sys("open error for foo");
lseek(fd, 2, SEEK_END);
write(fd, "zxh", 3);

$ od -c foo
0000000   1   2   3  \0  \0   z   x   h
0000010

可以看到产生两个\0，产生了空洞文件。
使用以下的方式得到当前的文件偏移量。

off_t off;
off = lseek(fd, 0, SEEK_END);  // off 为当前的文件偏移量，在上例中为 5

原子操作
操作是不可中断的，如 read write 系统调用，可能读取或者写入的数据少于我们要的数量，但是在函数调用这个事件上要么直接成功要么直接失败。
新文件的读写可以使用 open 函数的 O_CREAT 标志来创建再读写，此为原子操作；
还有一种方式是使用 creat 函数创建文件后再用 open 打开，这里有两个调用，当进行进程切换时候，其他进程对此文件进行处理，产生意向不到的错误。

上面是文件的创建操作，还有文件描述符的复制操作, 也是如此，对于单进程的效果是一样的，但是在多进程的时候就

dup2(fd, fd2);
  等效于
close(fd2);
fcntl(fd, F_DUPFD, fd2);

函数 fcntl
可以改变文件的属性，算的上是个杂货箱吧。

函数原型
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);

功能：

  • 复制一个已有的描述符(cmd = F_DUPFD 或 F_DUPFD_CLOEXEC)
  • 获取/设置文件描述符标志(cmd = F_GETFD 或 F_SETFD)
  • 获取/设置文件状态标志(cmd = F_GETFL 或 F_SETFL)
    • F_GETFL 只能用屏蔽字O_ACCMODE取得存取方式位
    • F_SETFL 更改的标志只有 O_APPEND，O_NONBLOCK，O_SYNC 和 O_ASYNC
  • 获取/设置异步IO所有权(cmd = F_GETOWN 或 F_SETOWN)
  • 获取/设置记录锁(cmd = F_GETLK、F_SETLK 或 F_SETLKW)

函数的返回值依赖参数而定，所有失败都是返回 -1，除特定参数，如下:

  • F_DUPFD、F_DUPFD_CLOEXEC，返回新的文件描述符，FD_CLOEXEC标志被清除
  • F_GETFD, 返回文件描述符标志，当前只定义了一个 FD_CLOEXEC
  • F_GETFL，返回文件状态标志，O_RDONLY等
  • F_GETOWN，返回一个进程组ID

成功返回 0。

设置文件描述符标志（FD_CLOEXEC）和文件状态标志可用如下函数

int set_cloexec(int fd)
{
    int val = fcntl(fd, F_GETFD, 0);
    val |= FD_CLOEXEC;
    return fcntl(fd, F_SETFD, val);
}

int set_fl(int fd, int flags)
{
    int val = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
    val |= flags;
    return fcntl(fd, F_SETFL, val);
}

文件描述符标志 FD_CLOEXEC
在前面提到，open 函数用使用 O_CLOEXEC 标志会是打开的文件描述符在exec打开的进程中关闭，可以达到进程间的文件隔离的效果。

#ifdef _CLOEXEC
    open("./foo", O_CLOEXEC | O_RDWR);
#else
    open("./file.hole", O_RDWR);
#endif

execl("./rdwr", "rdwr", "10000", NULL);

执行execl后进程是 rdwr，在编译命令里面加入 -D_CLOEXEC 选项来看变化

可以发现没有占用foo，不加入-D_CLOEXEC

这样也存在一个问题，在另外一个进程里关闭了文件描述符，就须注意当前进程后面不能再对文件进行操作了。

上面是 open 函数，我们同样可以用fcntl来改变文件的描述符标志，直接调用上面的 set_cloexec(fd) 也可以达到这个效果;

  5 #include <fcntl.h>
  6 #include "apue.h"
  7
  8 // int fcntl(int fd, int cmd, ... /* int arg */);
  9
 10 // F_DUPFD F_DUPFD_CLOEXEC
 11 // return new fd.
 12 int dupfd(int fd) {
 13     printf("fcntl_dup: %d\n", fd);
 14     int new_fd = fcntl(fd, F_DUPFD, 4);  // new_fd 应该是 fd + 1
 15     if (new_fd < 0)
 16         err_sys("fcntl F_DUPFD error\n");
 17     printf("F_DUPFD: %d\n", new_fd);
 18     return new_fd;
 19 }
 20
 21 // F_GETFD
 22 int getfd(int fd) {
 23     int val = fcntl(fd, F_GETFD);
 24     if (val < 0)
 25         err_sys("fcntl F_GETFD error");
 26     printf("getfd %d\n", val);
 27     if (val & FD_CLOEXEC)  // 这里 0，所以只会走 30 行的
 28         printf("getfd FD_CLOEXEC\n");
 29     else
 30         printf("getfd not FD_CLOEXEC\n");
 31
 32     close(val);
 33     return val;
 34 }
 35
 36 //  F_SETFD
 37 int setfd(int fd) {
 38     int val = set_cloexec(fd);
 39     printf("setfd %d\n", val);
 40     // execl("./rdwr", "rdwr", "123", NULL);
 41     return val;
 42 }
 43
 44 void setfl(int fd, int flags) {
 45     set_fl(fd, flags);
 46 }
 47
 48 int getfl(int fd) {
 49     int val;
 50     if ((val = fcntl(fd, F_GETFL)) < 0)
 51         err_sys("fcntl F_GETFL error");
 52
 53     switch (val & O_ACCMODE) {
 54         case O_RDONLY:
 55             printf("read only\n");
 56             break;
 57         case O_WRONLY:
 58             printf("write only\n");
 59             break;
 60         case O_RDWR:
 61             printf("read write\n");
 62             break;
 63         default:
 64             err_dump("unkown access mode");
 65     }
 66     if (val & O_APPEND)
 67         printf(", append");
 68     if (val & O_NONBLOCK)
 69         printf(", nonblocking");
 70     if (val & O_SYNC)
 71         printf(", synchronous writes");
 72     return val;
 73 };
 74
 75 int main(int argc, char *argv[]) {
 76     int fd;
 77
 78     if ((fd = open("./foo", O_RDWR | O_CREAT)) < 0)
 79         err_sys("open error");
 80     dupfd(fd);
 81     getfd(fd);
 82     setfd(fd);
 83     getfl(fd);
 84 //    setfl(fd, O_APPEND);  // 从文件为开始操作
 85     if (write(fd, "jinpi", 5) < 0)
 86         err_sys("write error");
 87 }