计算机基础第十章学习日志：关于系统级I/O

计算机基础第十章主要讲解三个函数：
一、
1.open(char *filename, int flags, mode_t mode);

open函数将filename转换为一个文件描述符，并且返回描述符数字。返回的描述符总是在进程中当前没有打开的最小描述符。flags参数指明了进程打算如何访问这个文件：

O_RDONLY：只读。
O_WRONLY：只写。
O_RDWR：可读可写。
flags参数也可以是一个或者更多位掩码的或，为写提供给一些额外的指示：

O_CREAT：如果文件不存在，就创建它的一个截断的（空）文件。
O_TRUNC：如果文件已经存在，就截断它。如果文件存在，并且是一个普通文件，而且打开方式是O_WRONLY、O_RDWR，则O_TRUNC会清空文件的内容。O_TRUNC|O_RDONLY的话O_TRUNC不会起作用！
O_APPEND：在每次写操作前，设置文件位置到文件的结尾处。
O_EXCL：该标志一般和O_CREAT配合使用，用来测试文件是否存在，如果指定O_CREAT|O_EXCL，如果文件存在，则open会失败。
O_NONBLOCK：非阻塞方式打开文件。
非阻塞：如果文件没有内容，read直接报错，如果文件没有空间，write直接报错。
阻塞：如果文件没有内容，read会阻塞（等待直到有数据）。如果文件没有空间，write会阻塞（等待直到有空间）。
mode参数指定了新文件的访问权限位。在应用时可让测试文件的模式位mode与以下掩码做与运算&即可判断权限。

2.read(int fd, void *buf, size_t n);

read函数从描述符为fd的当前文件位置复制最多n个字节到内存位置buf。 返回值-1表示一个错误，同时errno被设置。而返回值0表示EOF，即读到文件尾。否则，返回值表示的是实际传送的字节数量。

3.write(int fd, const void *buf, size_t n);

write函数从内存位置buf复制至多n个字节到描述符fd的当前文件位置。 若成功则返回写的字节数，若出错则为-1。

二、
接下来让我们用三道例题来熟悉它们的用法：
首先我们要知道共享文件是什么。
1.共享文件
可以用许多不同的方式来共享Linux文件。而内核用三个相关的数据结构来表示打开的文件，如图：

描述符表：每个进程都有它独立的描述符表，它的表项是由进程打开的文件描述符来索引的。每个打开的描述符表项指向文件表中的一个表项。

文件表：打开文件的集合是由一张文件表来表示的，所有的进程共享这张表。每个文件表的表项组成包括当前的文件位置、引用计数refcnt（即当前指向该表项的描述符表项数），以及一个指向v-node表中对应表项的指针。关闭一个描述符会减少相应的文件表表项中的引用计数。内核不会删除这个文件表表项，直到它的引用计数为零。

v-node表：同文件表一样，所有的进程共享这张v-node表。每个表项包含stat结构中的大多数信息，包括st_mode和st_size成员。
2.例题
ffiles1.c ,代码如下：

首先，我们需要将文件进行编译链接，如图：

之后我们执行文件，如图( abcde.txt 中的内容为 abcde )：

解析：当我们执行这个文件后，结果输出为 c1 = a, c2 = a, c3 = b。
首先我们可以看到三个文件描述符：fd1, fd2, fd3 分别打开相同的文件 abcde.txt ,三个文件描述符都有自己的文件位置且互不干扰。
接下来我们来介绍一下函数 dup2（int oldfd, int newfd），这个函数表示复制 oldfd 覆盖 newfd ，即 newfd 的文件位置指向 oldfd 的文件位置，在之后使用 newfd 的地方相当于使用 oldfd 。
上文代码用 fd2 覆盖了 fd3 ，之后的第一个Read函数读出 abcde.txt 的第一个字符，所以 c1 = a；因为 fd1 和 fd2 指向不同的文件位置，所以第二个Read函数依旧读出abcde.txt 的第一个字符， 所以 c2 = a ；而因为 fd2 和 fd3 指向相同的文件位置，所以所以第三个Read函数读出 abcde.txt 光标后的字符，所以 c3 = b 。

2.ffiles2.c， 如图：

首先，我们依旧需要将文件进行编译链接，如图：

之后我们执行文件，如图( abcde.txt 中的内容为 abcde )：

解析：首先，我们需要知道语句 int s = getpid() & 0x1 是什么意思，getpid（）即为获取进程的 pid 然后与十六进制的 0x1 进行异或，也就是说 s 可能为 1 也可能为 0 ，第一个Read函数读出 abcde.txt 的第一个字符，所以 c1 = a；之后 执行 fork() 函数，父进程与子进程共享文件表， 若 s 为 0 ，则子进程等待，父进程先执行 Read（）函数，此时 输出 Parent: c2 = b ，Child: c2 = c ; 反之输出Parent: c2 = c ，Child: c2 = b 。

3.ffiles3.c，如图：

首先，我们依旧需要将文件进行编译链接，如图：

之后我们执行文件，如图( abcde.txt 中的内容为 abcde )：

打开 abcde.txt ，此时结果如下：

解析：首先， fd1 打开 abcde.txt ，清空 abcde.txt 文件，并执行 write（）函数，向其中写下 pqrs ，接着 fd3 打开 abcde.txt ，因为有 O_APPEND ，所以执行下一个 write（）函数，在光标后面写下 jklmn ，此时 abcde.txt 中的内容为 pqrsjklmn ，随后执行语句 fd2 = dup2（ fd1 ），用 fd2 覆盖 fd1 ，下一条 write（）函数相当于在 fd1 中写，fd1 的光标在 s 的后面，此时覆盖 s 后面的四个字符，因此，此时abcde.txt 中的内容为 pqrswxyzn ，之后执行的write（）函数为在 fd3 的光标后写下 ef ，所以，最后 abcde.txt 中的内容为 pqrswxyznef 。