Linux文件讀寫操作

文件描述符(File Descriptor)

a small, nonnegative integer for use in subsequent system calls (read(2), write(2), lseek(2), fcntl(2), etc.) ($man 2 open). 每個進程都會有一些與之關聯的描述符, 一個程序開始運行時一般會有3個已經打開的文件描述符:

• 0 :標准輸入stdin
• 1 :標准輸出stdout
• 2 :標准錯誤stderror

fd工作原理

• fd從0開始, 查找最小的未被使用的描述符, 把文件表指針與文件表描述符建立對應關系
• 文件描述符就是一個int, 用於代表一個打開的文件, 但是文件的管理信息不能夠不是存放在文件描述符中,當使用open()函數打開一個文件時, OS會將文件的相關信息加載到文件表等數據結構中, 但出於安全和效率等因素的考慮, 文件表等數據結構並不適合直接操作, 而是給該結構指定一個編號, 使用編號來進行操作, 該編號就是文件描述符
• OS會為每個進程內部維護一張文件描述符總表, 當有新的文件描述符需求時, 會去總表中查找最小的未被使用的描述符返回, 文件描述符雖然是int類型, 但其實是非負整數, 也就是0~OPEN_MAX(當前系統中為1024), 其中0,1,2已被系統占用,分別表示stdin, stdout,stderror
• 使用close()關閉fd時, 就是將fd和文件表結構之間的對應關系從總表中移除, 但不一定會刪除文件表結構, 只有當文件表沒有與其他任何fd對應時(也就是一個文件表可以同時對應多個fd)才會刪除文件表, close()也不會改變文件描述符本身的整數值, 只會讓該文件描述符無法代表一個文件而已
• duplicate fdVS copy fd:dup是把old_fd對應的文件表指針復制給new_fd, 而不是int new_fd=old_fd

文件描述符標志（File Descriptor Flag)

當下的系統只有一個文件描述符標志close-on-exec，僅僅是一個標志，當進程fork一個子進程的時候，在子進程中調用了exec函數時就用到了該標志。意義是執行exec前是否要關閉這個文件描述符。

• 一般我們會調用exec執行另一個程序，此時會用全新的程序替換子進程的正文，數據，堆和棧等。此時保存文件描述符的變量當然也不存在了，我們就無法關閉無用的文件描述符了。所以通常我們會fork子進程後在子進程中直接執行close關掉無用的文件描述符，然後再執行exec。但是在復雜系統中，有時我們fork子進程時已經不知道打開了多少個文件描述符（包括socket句柄等），這此時進行逐一清理確實有很大難度。我們期望的是能在fork子進程前打開某個文件句柄時就指定好:這個句柄我在fork子進程後執行exec時就關閉”。所以就有了 close-on-exec
• 每個文件描述符都有一個close-on-exec標志。在系統默認情況下，這個標志最後一位被設置為0。即關閉了此標志。那麼當子進程調用exec函數，子進程將不會關閉該文件描述符。此時，父子進程將共享該文件，它們具有同一個文件表項，也就有了同一個文件偏移量等。
• fcntl()的FD_CLOEXEC和open()的O_CLOEXEC用來設置文件的close-on-exec，當將close-on-exec標志置為1時，即開啟此標志, 此時子進程調用exec函數之前，系統就已經讓子進程將此文件描述符關閉。

Note:雖然新版本支持在open時設置CLOEXEC，但是在編譯的時候還是會提示錯誤 - error: ‘O_CLOEXEC’ undeclared (first use in this function)。這個功能需要設置宏(_GNU_SOURCE)打開。

#define _GNU_SOURCE //在源代碼中加入   

-D_GNU_SOURCE   //在編譯參數中加入  

文件狀態標志(File Status Flag)

File status flags 用來表示打開文件的屬性，file status flag可以通過duplicate一個文件描述符來共享同一個打開的文件的狀態，而file descrptor flag則不行

• Access Modes: 指明文件的access方式：read-only， write-only，read-write。通過open()設置，通過fcntl()返回，但不能被改變
• Open-time Flags: 指明在open()執行的時候的操作，open()執行完畢這個flag不會被保存
• Operating Modes: 影響read，write操作，通過open()設置，但可以用fcntl()讀取或改變

open()

//給定一個文件路徑名，按照相應的選項打開文件，就是將一個fd和文件連接到一起，成功返回文件描述符，失敗返回-1設errno
#include<fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags)
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode)//不是函數重載,C中沒有重載, 是可變長參數列表
//pathname:文件或設備路徑
//flags :file status，flags=Access mode+Open-time flags+Operating Modes、
/*Access Mode(必選一個):
O_RDONLY：0
O_WRONLY：1
O_RDWR：2
*/
/*Open-time Flags(Bitwise Or):
O_CLOEXEC   ：為新打開的文件描述符使能close-on-exec。可以避免程序再用fcntl()的F_SETFD來設置FD_CLOEXEC
O_CREAT     ：如果文件不存在就創建文件，並返回它的文件描述符，如果文件存在就忽略這個選項，必須在保護模式下使用，eg：0664
O_DIRECTORY ：如果opendir()在一個FIFO或tape中調用的話，這個選項可以避免denial-of-service問題，  如果路徑指向的不是一個目錄，就會打開失敗。
O_EXCL      ：確保open()能夠穿件一個文件，如果文件已經存在，則會導致打開失敗，總是和O_CREAT一同使用。
O_NOCTTY    ：如果路徑指向一個終端設備，那麼這個設備不會成為這個進程的控制終端，即使這個進程沒有一個控制終端
O_NOFOLLOW  ：如果路徑是一個符號鏈接，就打開它鏈接的文件//If pathname is a symbolic link, then the open fails.
O_TMPFILE   ：創建一個無名的臨時文件，文件系統中會創建一個無名的inode，當最後一個文件描述符被關閉的時候，所有寫入這個文件的內容都會丟失，除非在此之前給了它一個名字
O_TRUNC     ：清空文件
O_TTY_INIT
*/
/*Operating Modes(Bitwise Or)
O_APPEND    ：以追加的方式打開文件, 默認寫入結尾 
O_ASYNC     ：使能signal-driven I/O
O_DIRECT    ：試圖最小化來自I/O和這個文件的cache effect//Try to minimize cache effects of the I/O to and from this  file.
O_DSYNC     ：每次寫操作都會等待I/O操作的完成，但如果文件屬性的更新不影響讀取剛剛寫入的數據的話，就不會等待文件屬性的更新    。
O_LARGEFILE ：允許打開一個大小超過off_t(但沒超過off64_t)表示范圍的文件
O_NOATIME   ：不更改文件的st_time(last access time)
O_NONBLOCK /O_NDELAY ：如果可能的話，用nonblock模式打開文件
O_SYNC      ：每次寫操作都會等待I/O操作的完成，包括write()引起的文件屬性的更新。
O_PATH      ：獲得一個能表示文件在文件系統中位置的文件描述符

#include<fcntl.h>
#include<stdlib.h>
int fd=open("b.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL,0664);
if(-1==fd)
    perror("open"),exit(-1);

FQ:Why Bitwise ORed:
FA:猜想有以下模型:用一串某一位是1其余全是0的字符串表示一個選項, 選項們作 “按位與”就可得到0/1字符串, 表示整個flags的狀態, Note: 低三位表示Access Mode

creat()

等價於以O_WRONLY |O_TRUNC|O_CREAT的flag調用open()

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

dup()、dup2()、dup3()

//復制一個文件描述符的指向，新的文件描述符的flags和原來的一樣，成功返回new_file_descriptor, 失敗返回-1並設errno
#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);             //使用未被占用的最小的文件描述符編號作為新的文件描述符
int dup2(int oldfd, int newfd);

#include <fcntl.h>      
#include <unistd.h>
int dup3(int oldfd, int newfd, int flags);

#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int res=dup2(fd,fd2);
if(-1==res){
        perror("dup2"),exit(-1);

read()

//從fd對應的文件中讀count個byte的數據到以buf開頭的緩沖區中，成功返回成功讀取到的byte的數目，失敗返回-1設errno
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

#include <unistd.h>
#include<stdlib.h>
int res=read(fd,buf,6);
if(-1==fd)
    perror("read"),exit(-1);

write()

//從buf指向的緩沖區中讀取count個byte的數據寫入到fd對應的文件中，成功返回成功寫入的byte數目，文件的位置指針會向前移動這個數目，失敗返回-1設errno
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);//不需要對buf操作, 所以有const, VS read()沒有const

#include <unistd.h>
#include<stdlib.h>
int res=write(fd,"hello",sizeof("hello"));
if(-1==res)
    perror("write"),exit(-1);

Note: 上例中即使只有一個字符’A’,也要寫”A”,因為”A”才是地址,’A’只是個int

lseek()

l 表示long int, 歷史原因

//根據移動基准whence和移動距離offset對文件的位置指針進行重新定位，返回移動後的位置指針與文件開頭的距離，失敗返回-1設errno
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
/*whence:
SEEK_SET：以文件開頭為基准進行偏移，0一般不能向前偏
SEEK_CUR：以當前位置指針的位置為基准進行偏移，1向前向後均可
SEEK_END：以文件的結尾為基准進行偏移，2向前向後均可向後形成”文件空洞”

#include<unistd.h>
#include<stdlib>
int len=lseek(fd,-3,SEEK_SET);
if(-1==len){
        perror("lseek"),exit(-1);

fcntl()

//對fd進行各種操作，成功返回0,失敗返回-1設errno
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... );       //...表示可變長參數
/*cmd:
Adversory record locking:
F_SETLK(struct flock*)  //設建議鎖
F_SETLKW(struct flock*) //設建議鎖，如果文件上有沖突的鎖，且在等待的時候捕獲了一個信號，則調用被打斷並在信號捕獲之後立即返回一個錯誤，如果等待期間沒有信號，則一直等待 
F_GETLK(struct flock*)  //嘗試放鎖，如果能放鎖，則不會放鎖，而是返回一個含有F_UNLCK而其他不變的l_type類型，如果不能放鎖，那麼fcntl()會將新類型的鎖加在文件上，並把當前PID留在鎖上
Duplicating a file descriptor:
F_DUPFD (int)       //找到>=arg的最小的可以使用的文件描述符，並把這個文件描述符用作fd的一個副本
F_DUPFD_CLOEXEC(int)//和F_DUPFD一樣，除了會在新的文件描述符上設置close-on-exec
F_GETFD (void)      //讀取fd的flag，忽略arg的值
F_SETFD (int)       //將fd的flags設置成arg的值.
F_GETFL (void)      //讀取fd的Access Mode和其他的file status flags; 忽略arg
F_SETFL (long)      //設置file status flags為arg
F_GETOWN(void)      //返回fd上接受SIGIO和SIGURG的PID或進程組ID
F_SETOWN(int)       //設置fd上接受SIGIO和SIGURG的PID或進程組ID為arg
F_GETOWN_EX(struct f_owner_ex*) //返回當前文件被之前的F_SETOWN_EX操作定義的文件描述符R
F_SETOWN_EX(struct f_owner_ex*) //和F_SETOWN類似，允許調用程序將fd的I/O信號處理權限直接交給一個線程，進程或進程組
F_GETSIG(void)      //當文件的輸入輸出可用時返回一個信號
F_SETSIG(int)       //當文件的輸入輸出可用時發送arg指定的信號
*/

/*…:    
可選參素，是否需要得看cmd，如果是加鎖，這裡應是struct flock*
struct flock {
    short l_type;   //%d Type of lock: F_RDLCK(讀鎖), F_WRLCK(寫鎖), F_UNLCK(解鎖)
    short l_whence; //%d How to interpret l_start, 加鎖的位置參考標准:SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END
    off_t l_start;  //%ld Starting offset for lock,     加鎖的起始位置
    off_t l_len;    //%ld Number of bytes to lock , 鎖定的字節數
    pid_t l_pid;    // PID of process blocking our lock, (F_GETLK only)加鎖的進程號,,默認給-1
};
*/

建議鎖(Adversory Lock)

限制加鎖,但不限制讀寫, 所以只對加鎖成功才讀寫的程序有效,用來解決不同的進程 同時對同一個文件的同一個位置 “寫”導致的沖突問題
讀鎖是一把共享鎖(S鎖):共享鎖+共享鎖+共享鎖+共享鎖+共享鎖+共享鎖
寫鎖是一把排他鎖(X鎖):永遠孤苦伶仃

釋放鎖的方法(逐級提高):

• 將鎖的類型改為:F_UNLCK, 再使用fcntl()函數重新設置
• close()關閉fd時, 調用進程在該fd上加的所有鎖都會自動釋放
• 進程結束時會自動釋放所有該進程加過的文件鎖

Q:為什麼加了寫鎖還能gedit或vim寫???

A:可以寫, 鎖只可以控制能否加鎖成功, 不能控制對文件的讀寫, 所以叫”建議”鎖, 我加了鎖就是不想讓你寫, 你非要寫我也沒辦法. vim/gedit不通過能否加鎖成功來決定是否讀寫, 所以可以直接上

Q: So如何實現文件鎖控制文件的讀寫操作????

A:可以在讀操作前嘗試加讀鎖, 寫操作前嘗試加寫鎖, 根據能否加鎖成功決定能否進行讀寫操作

int fd=open("./a.txt",O_RDWR);                  //得到fd
if(-1==fd)
    perror("open"),exit(-1);
struct flock lock={F_RDLCK,SEEK_SET,2,5,-1};    //設置鎖   //此處從第3個byte開始(包含第三)鎖5byte
int res=fcntl(fd,F_SETLK,&lock);                //給fd加鎖
if(-1==res)
    perror("fcntl"),exit(-1);

ioct1()

//操作特殊文件的設備參數，成功返回0,失敗返回-1設errno
#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int d, int request, ...);
//d：an open file descriptor.
//request： a device-dependent  request  code

close()

//關閉fd，這樣這個fd就可以重新用於連接其他文件，成功返回0,失敗返回-1設errno
#include <unistd.h>
int close(int fd);

#include <unistd.h>
#include<stdlib.h>
int res=close(fd);
if(-1==res)
        perror("close"),exit(-1);