linux系統編程之文件與I/O（五） 文件的內核結構file和實現重定向

一、打開文件內核數據結構

1、一個進程打開兩個文件

文件狀態標志：讀、寫、追加、同步、非阻塞等

2、一個進程兩次打開同一文件

3、兩個進程打開同一文件

示例程序：

/*************************************************************************
    > File Name: file_share.c
    > Author: Simba
    > Mail: [email protected]
    > Created Time: Sat 23 Feb 2013 02:34:02 PM CST
 ************************************************************************/
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd1, fd2;
    char buf1[1024] = {0};
    char buf2[1024] = {0};
    /* 進程控制塊PCB
     * struct task {
     * ...
     * struct files_struct *files;
     * }
     * 同一個進程兩次打開同一個文件，一個進程擁有的一個文件描述符表其中一個fd索引對應的指針指向一個
     * 文件表(包括文件狀態（讀寫追加同步非阻塞等），當前文件偏移量，
     * 文件引用次數（當有兩個fd指向同個文件表時引用計數為2，見dup,也可用於重定向），
     * 文件操作指針， V節點指針等）不共享，
     * V節點表（包括V節點信息（struct stat), i節點信息等）共享
     */
    /* 兩個進程打開同一個文件的情況與上類同*/
    fd1 = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd1 == -1)
        ERR_EXIT("open error");
    read(fd1, buf1, 5);
    printf("buf1=%s\n", buf1);
    fd2 = open("test.txt", O_RDWR);
    if (fd2 == -1)
        ERR_EXIT("open error");
    read(fd2, buf2, 5);
    printf("buf2=%s\n", buf2);
    write(fd2, "AAAAA", 5);
    memset(buf1, 0, sizeof(buf1));
    read(fd1, buf1, 5);
    printf("buf1=%s\n", buf1);
    close(fd1);
    close(fd2);
    return 0;
}

假設test.txt文件的內容是 ABCDEhello

測試如下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/APUE/File_IO$ ./file_share
buf1=ABCDE
buf2=ABCDE
buf1=AAAA

test.txt文件內容變成 ABCDEAAAAA

分析：由上圖分析可知，一個進程兩次打開同一文件，文件表是不共享的，即各有自己的文件偏移量和打開文件標志，所以兩次read不同的fd都是從頭開始讀取，但V節點表是共享的，在fd2寫入（同個文件表的read和write是共享偏移的）更改了inode指向的硬盤數據塊，再次read fd1得到的也是更改後的值。

二、I/O重定向

當我們執行了dup(3)之後，系統選擇一個空閒的文件描述符即4，這樣就有兩個文件描述符指向同個文件表，所以引用計數為2。利用dup等函數可以進行重定向的步驟是先close輸入輸出文件描述符，然後執行dup(fd), 這樣輸入輸出文件描述符也指向fd指向的文件，這樣就實現了重定向。此外dup2, fcntl 函數也可以實現，其實不使用這些函數，而直接close（0/1/2）完再open也可以實現。如下使用cat命令實現復制文件的功能：

/*************************************************************************
    > File Name: process_.c
    > Author: Simba
    > Mail: [email protected]
    > Created Time: Sat 23 Feb 2013 02:34:02 PM CST
 ************************************************************************/
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>
#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)
int main(int argc, char *argv[])
{
    close(0);
    open("Makefile", O_RDONLY);
    close(1);
    open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0664);
    execlp("cat", "cat", NULL);
    return 0;
}

現在標准輸入是文件Makefile，標准輸出是文件Makefile2，將當前進程替換成cat，則cat會從標准輸入讀而後輸出到標准輸出，即完成了copy的功能。

dup/fcntl 函數示例程序如下：

/*************************************************************************
    > File Name: file_dup.c
    > Author: Simba
    > Mail: [email protected]
    > Created Time: Sat 23 Feb 2013 02:34:02 PM CST
 ************************************************************************/
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)
/* dup dup2 fcntl */
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    fd = open("test2.txt", O_WRONLY);
    if (fd == -1)
        ERR_EXIT("open error");
    /*
        close(1);
        dup(fd);
    */
    //  dup2(fd, 1);
    close(1);
    if (fcntl(fd, F_DUPFD, 0) < 0) //從0開始搜索可用的fd
        ERR_EXIT("fcntl error");
    printf("hello\n"); // 輸出重定向到test2.txt
    return 0;
}