unix高级编程系列之文件I/O

背景

作为linux 开发者，我们不可避免会接触到文件编程。比如通过文件记录程序配置参数，通过字符设备与外设进行通信。因此作为合格的linux开发者，一定要熟练掌握文件编程。在文件编程中，我们一般会有两类接口函数：标准I/O（带缓冲）和POXIS.1 I/O(不带缓冲)。本章节主要介绍不带缓冲的相关API及注意事项。

open 接口

open函数的作用是打开或创建一个文件。其声明如下：

int open(const char* path, int oflag, .../*mode_t mode*/);

参数解析：

path ：是打开或需要创建的文件名称；
oflag ：设置打开文件的权限,该参数取值范围较广。并且需要区分。大致可以分为两类：

权限类型标识。需要关注的有O_RDONLY（只读权限）、O_WRONLY（只写权限）、O_RDWR（可读写权限）。这三个标识位必须指定一个且只能指定一个。（O_ECEC(只执行)和O_SEARCH（只搜索）已被移除）。
特性类标识。这些标识可多选，常见的有如下：

标识常量	含义
O_APPEND	每次写都追加到文件的尾端。即使你显式的调用lseek改变文件当前偏移量，但是在`write`时，依然会追加到文件末尾
O_CREAT	若文件不存在则创建它。
O_EXCL	如果同时指定了O_CREAT，而文件已经存在，则出错。经常用于判断文件是否存在，与`access()`函数功能类似。
O_NOBLOCK	如果path引用的是一个FIFO、块特殊文件、字符特殊文件。那么本文件描述符后续的I/O操作，都设置为非阻塞方式。
O_SYNC	每次write 都会等待物理I/O操作完成，包括文件属性更新。在linux ext4 系统中，该标识可能不生效
O_TRUNC	如果文件存在，且以只写或读写权限打开。则将长度截断为0。常见的业务场景就是更新配置文件。

mode 可选参数。只有当oflag参数中，具备O_CREAT属性时，才需要指定新创建的文件权限。

知识点： open 函数返回的文件描述符一定时最小的未用描述符数值。

基于上述知识点，经常会被用来重定向程序的标准输入、标准输出或标准错误输出。

场景如下：有一个封装库内部是通过采用的是printf进行日志打印，无法体现在我们日志系统中。我们如何观察其日志输出呢？常见做法如下：

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main()
{ printf("hello world\n");return 0;
}

默认情况下，日志输出到终端：

xieyihua@xieyihua:~/test$ gcc 1.c  -o 1
xieyihua@xieyihua:~/test$ ./1
hello world
xieyihua@xieyihua:~/test$

可以做以下修改：

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
int main()
{close(1); /* 关闭 文件描述符1'*/open("./log",O_WRONLY|O_CREAT,0755);/* 此时文件描述符1 与 ./log文件绑定*/printf("hello world\n");return 0;
}

输出如下：

xieyihua@xieyihua:~/test$ gcc 1.c -o 1
xieyihua@xieyihua:~/test$ ./1
xieyihua@xieyihua:~/test$ cat log
hello world
xieyihua@xieyihua:~/test$

creat 接口

creat函数主要用于创建一个新文件。函数原型声明如下：

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

其等效于：open(path,O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,mode);但是由于creat只能以只写方式打开文件，使用场景便较少，渐渐被‘冷落’了。

close 接口

close函数关闭一个打开文件。其函数原型声明如下：

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

知识点：当一个进程终止时，内核会自动关闭它所有的打开文件。很多程序都利用了这一功能而不显示调用close。

lseek 接口

每个打开文件都有一个与其相关的“当前文件偏移量”。它通常是一个非负整数（/dev/kmem/支持负的偏移量），用于度量从文件开始处计算的字节数。通常读、写操作都是从当前文件偏移处开始的，并使偏移量增加所读写的字节数。

lseek接口就可以显式的为一个打开的文件设置偏移量。其函数原型声明如下：

#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd,off_t offset,int whence);

fd, 文件描述符
offset，其含义与whence 的值相关。

若 whence 是 SEEK_SET，则将该文件的偏移量设置为距文件开始处的offset个字节。
若 whence 是 SEEK_CUR，则将该文件的偏移量设置为当前值加上offset个字节，offset可为正或负。
若 whence 是 SEEK_END，则将该文件的偏移量设置为文件长度加上offset个字节，offset可为正或负。

知识点：系统默认情况下，当打开一个文件时，除非指定O_APPEND选项，否则该偏移量被设置为0。

lseek 仅是将当前的文件偏移量记录在内核中，并不引起任何I/O操作，其目的是用于接下来的读写操作。

空洞文件

文件偏移量可以被设置为大于文件当前长度，在这种情况下，对该文件的下一次写将加长该文件，并在文件中构成一个空洞。位于文件中没有写过的字节都被读为0。并且文件中的空洞并不要求在磁盘上占用存储区。示例代码如下：

#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>int main()
{int fd;char* buf1 = "123456789a";char* buf2 = "abcdefghij";if((fd = creat("file.hole",0755)) < 0){printf("creat error\n");return -1;}printf("fd = %d\n",fd);if(write(fd,buf1,10) != 10){printf("write buf1 error\n");}if(lseek(fd,16384,SEEK_SET) == -1){printf("lseek error\n");}if(write(fd,buf2,10) != 10){printf("write buf1 error\n");}return 0;
}

结果如下：

/*文件长度有16394 Byte*/
xieyihua@xieyihua:~/test$ ls -la file.hole
-rwxr-xr-x 1 xieyihua xieyihua 16394 Jul  4 01:58 file.hole/*文本的实际内容也只有两个字符串*/
xieyihua@xieyihua:~/test$ od -c file.hole   
0000000   1   2   3   4   5   6   7   8   9   a  \0  \0  \0  \0  \0  \0
0000020  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0  \0
*
0010000   a   b   c   d   e   f   g   h   i   j
0010012
xieyihua@xieyihua:~/test$ cat file.hole
123456789aabcdefghijxieyihua@xieyihua:~/test$/* 没有空洞的文件其占用了16个磁盘块*/
xieyihua@xieyihua:~/test$ ls -ls file.*8 -rwxr-xr-x 1 xieyihua xieyihua 16394 Jul  4 01:58 file.hole
16 -rwxr-xr-x 1 xieyihua xieyihua 16384 Jul  4 01:58 file.nohole

文件空洞的特性：分配了文件偏移量范围，但是实际却没有分配磁盘空间。我们一般可在两个方向应用：

多线程下载。当创建一个巨大的文件时，单个线程逐步构建文件会耗费大量时间。一种优化思路是将文件划分为多个段，利用多线程同时操作，每个线程负责写入其中一段数据。这类似于现实生活中修路的场景，如修建高速公路时，单个施工队的进度可能较慢，但通过安排多个施工队，每个队负责修建一段，最终将它们连接起来，大大提高了效率。
共享内存。当不同进程需要共享内存时，并不清楚实际需要多大的文件，可以先开辟一个大文件。比如：在创建虚拟机时，如果一开始就分配了100GB的磁盘空间，而实际上系统安装完成后可能只使用了3、4GB的空间，这就是空洞文件的应用。通过空洞文件，可以避免一开始就分配过多的资源，节约了存储空间的浪费。

read 接口

read接口用于向打开文件中读数据。其原型声明如下：

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

若read成功，则返回读到的字节数，如果已经达到文件的尾端，则返回0。

知识点：大多数文件系统为改善性能都会采用某种预读技术，即即使你每次仅读取100Byte内容，但是实际上会从磁盘中读取一页数据，保存在内存中。从而减少磁盘I/O操作，提高系统性能。但是也会增加内存使用压力。

write 接口

write接口用于向打开文件写数据。其接口声明如下：

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

其返回值通常与参数nbytes的值相同，否则标识出错。其出错原因：

磁盘已写满
超过文件限定长度

linux 内核标识打开文件的方式

linux 内核通过三个数据结构表示打开的文件。记录项、文件表项、V节点。其三者关系大致如下:

进程表项中，记录中文件描述符与文件表项的关系；
文件表项中，记录文件状态标志位、当前文件偏移量、V节点指针；
V节点中，记录文件类型、各种操作函数指针、指向i节点。而i节点包含文件的详细信息，比如：文件的所有者、文件长度、指向文件实际数据块再磁盘上所在位置的指针等。

注意：每一个文件只有一个唯一的V节点表；多个文件表项可以指向同一个V节点表，每调用一次open,则创建一个新的文件表项；不同fd可以指向同一个文件表项；即可能存在以下场景：

正是这样的机制原理，linux 让我们可以多任务同时访问同一文件。但是在写文件时，我们需要关注写入时序以及数据错乱问题。

在完成每一个read或write操作后，文件表项中的当前文件偏移量增加所读写的字节数。
如果使用O_APPEND标志打开一个文件，则响应标志也被设置到文件表项的文件状态标志中。每次进行写操作时，文件表项中的当前文件偏移量首先会被设置为表项中的文件长度。这就确保每次写入的数据追加到当前尾端处。
lseek 函数只是修改文件表项中的当前文件偏移量，不进行任何I/O操作。
每一个进程都有它自己的文件表项和进程表项。

dup和dup2

这两个接口用于复制一个现有的文件描述符。其接口声明如下：

#include<unistd.h>int dup(int fd);
int dup2(int fd, int fd2);
/*两函数的返回值：若成功，返回新的文件描述符;若出错，返回-1*/

dup返回新的文件描述符一定是当前可用文件描述符中的最小数值。其效果就是多个fd指向同一个文件表项。其关系与上图中多线程访问文件一致。

sync、fsync、fdatasync接口

传统的linux 系统中设备缓冲区高速缓存或页高速缓存，大多数磁盘I/O都通过缓冲区进行。当我们向文件写入数据时，内核通常先将数据复制到缓冲区中，然后排入队列，晚些时候在写入磁盘。这种方式称为“延迟写”。

“延迟写”虽然提高了write的响应速度（不需要等待数据经过IO，写入磁盘）。但是也带来了风险：当应用层认为已经将数据写入文件了，但实际数据还并没有落入磁盘。若此时系统出现异常，则会将这部分数据丢失。为了避免这种情况，linux 系统提供了sync 、fsync 、fdatasync接口，应用层主动要求内核将缓冲区中的数据进行落盘。原型声明如下：

#include<unistd.h>
int fsync(int fd);
int fdatasync(int fd);void sync(void);

sync 只是将所有修改过的块缓冲区排入写队列，然后就返回。它并不等待实际写磁盘操作结束。
fsync 函数只对文件描述符fd指定的文件起作用，并等待写磁盘操作结束才返回。
fdatasync 函数类似于 fsync，但只影响文件的数据部分。

注： open 接口中有一个标识 O_SYNC含义标识同步写，但经过验证，似乎并不起作用，与预期不一致。建议为了保险起见，还是调用fsync接口。

总结

文件编程是Linux开发者必须掌握的技能。本文介绍了Linux文件编程中常用的API及其注意事项，包括open、creat、close、lseek、read、write、dup和dup2等。还介绍了sync、fsync和fdatasync等接口，用于确保数据安全。此外，文章还解释了Linux内核如何标识打开的文件，以及文件表项、V节点和进程表项之间的关系。希望能给您带来帮助。

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