檔案IO

2021-05-31 12:46:14 星期一

檔案IO
- 基礎IO
  - open
    - 錯誤
  - creat
  - read
    - 一個例子
  - write
  - close
  - lseek
    - 檔案空洞
  - unlink洗掉
  - iotcl
- 檔案和目錄
  - 鏈接
- 錯誤列印
  - perror
  - strerror
- 原子IO
  - fcntl
- 檔案IO緩沖
  - stdio的緩沖

檔案描述符：是有限資源

檔案描述符	POSIX名稱	用途	stdio流
`0`	`STDIN_FILENO`	標準輸入	`stdin`
`1`	`STDOUT_FILENO`	標準輸出	`stdout`
`2`	`STDERR_FILENO`	標準錯誤	`stderr`

基礎IO

open

#include <fcntl.h>

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

path檔案的路徑和名稱
flag檔案的打開模式，組合使用時需要使用位運算或
- 基本模式
  - 只讀只寫讀寫
    
    O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR
    
    00 01 02
- 附加模式（只列常用）
  - O_APPEND：總是在檔案末尾添加資料
  - O_EXCL：配合O_CREAT標志
    - 表明如果檔案存在則不會打開檔案，并使open呼叫失敗，否則能夠創建并打開檔案，這樣確保了呼叫open()的行程即為創建檔案的行程.
    - 同時不允許path是符號鏈接
  - O_CREAT：沒有檔案存在時會創建檔案，需要mode引數指明檔案權限，一共9個
  - O_TRUNC：如果檔案存在且為普通檔案且該行程對改檔案有寫權限，則清空檔案內容
mode
- S_IRUSR：檔案所有者有讀權限
- S_IWUSR：檔案所有者有寫權限
- S_IXUSR：檔案所有者有執行權限
- S_IRGRP：同組用戶有讀權限
- S_IWGRP：同組用戶有寫權限
- S_IXGRP：同組用戶有執行權限
- S_IROTH：其他用戶有讀權限
- S_IWOTH：其他用戶有寫權限
- S_IXOTH：其他用戶有執行權限
回傳檔案描述符fd或者-1

只讀	只寫	讀寫
`O_RDONLY`	`O_WRONLY`	`O_RDWR`
`00`	`01`	`02`

錯誤

creat

舊版使用，新版都用open進行創建檔案

read

將open回傳的fd檔案描述符中讀取bytes位元組的資料到buf中，回傳實際讀取的位元組數，不成功回傳-1

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t bytes);

當read普通檔案：呼叫成功回傳實際讀取的位元組數，遇到檔案EOF時回傳0，出現錯誤回傳-1，
當read讀取終端，遇到\n即回傳

注意：read系統呼叫是逐位元組讀取的，所以無法遵守C語言中的字串的規則，比如C語言中字串以\0（0x0）作為結束，但是read認為這里的位元組值是0x0并繼續讀下去.所以使用read讀資料時，通常的方式是:每次讀取資料，再將的實際讀取到的size處設定成C語言認可的字串結束符，即buffer[size] = '\0';

#define MAX_READ 16

char buffer[MAX_READ + 1];
ssize_t size;
size = read(fd, buffer, MAX_READ);
if (size == -1)
    exit(0);
buffer[size] = '\0';
close(fd);

一個例子

該檔案從終端讀取一行（因為read讀終端時以\n作為結束）字符并列印出來，同時列印每一個字符

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

#define MAX_READ 16

int main(int argc, char **argv)
{
    char buffer[MAX_READ + 1];
    memset(buffer, 0x23, sizeof(buffer));  // fill with #
    buffer[MAX_READ] = '\0';
    
    ssize_t numRead, i;
    numRead = read(STDIN_FILENO, buffer, MAX_READ);
    if (numRead == -1)
        perror("read");

    // buffer[numRead] = '\0';
    printf("the input data was:%s\n", buffer);
    for (i = 0; buffer[i] != '\0' && i < MAX_READ; i++)
        printf("%ld->%x\n", i, buffer[i]);
    return 0;
}

$ ./4.4
abcd
the input data was:abcd
############
0->61
1->62
2->63
3->64
4->a
5->23
6->23
...
16->0

由此可見read只是以二進制的形式照搬資料，并不對資料進行處理，因此，對資料的處理留給了程式員

write

將bytes位元組的buf資料寫到open回傳的fd檔案描述符所指的檔案中，回傳實際寫的位元組數，不成功回傳-1，寫入已打開的檔案，呼叫成功并不代表已經寫入磁盤，可能先進入快取（這樣減少磁盤活動量、加快write呼叫），

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, void *buf, size_t bytes);

close

#include <unistd.h>

int close (int fd);

close函式也有錯誤處理，編程時也應該錯誤檢查，

lseek

內核打開的檔案時會記錄檔案偏移量，第一位元組的偏移量為0，檔案打開時，會將偏移量設定為0

十分重要：有時候讀檔案讀不出來，可能就是因為檔案偏移量在檔案末尾處，這時候需要重置

#include <unistd.h>

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

fd檔案描述符
offset表示偏移量
- 正值為正向移動，向繼續往下讀的方向
wherece表示檔案讀寫指標從哪里開始計數
- SEEK_SET表示起始位置
- SEEK_CUR表示當前位置
- SEEK_END表示末尾位置的后一個位元組（這里直接寫資料的話是恰好和檔案連接）
回傳新的檔案偏移量或-1（執行失敗）

檔案空洞

從檔案結尾后到新寫入的資料間的空間，他不占用磁盤空間，直到寫入了資料，這時檔案的名義的大小可能比磁盤存盤的總量大，具體的在14節

ls -l file        查看檔案邏輯大小

du -c file     查看檔案實際占用的存盤塊多少

od -c file     查看檔案存盤的內容

unlink洗掉

只是洗掉path到檔案的一個鏈接，其檔案對于的i-node減1，為0時，改檔案才從磁盤洗掉，

#include <unistd.h>

int unlink(const char *path);

iotcl

檔案和目錄

目錄是另一種檔案，只是內容是包含的檔案資訊和目錄資訊，

鏈接

每一個檔案對應一個inode，檔案的鏈接數對應inode中的鏈接數，記錄著這個檔案的鏈接數值，即指向該inode的檔案數，檔案和inode是多對一的關系，本質上rm指令呼叫系統呼叫unlink函式，將這個檔案的inode的鏈接數-1，為0時才真正洗掉

硬鏈接
- 相鏈接的檔案總是同步
軟鏈接
- 理解為Windows的快捷方式

$ touch a.txt
$ echo "hello" > a.txt

$ ls -li
total 4
2104443 -rw-rw-r-- 1 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt
# inode編號 檔案權限 用戶 組用戶 不知道 創建月 日 時 檔案名
$ ln a.txt a.txt.bak  # 建立硬鏈接
$ ls -li
total 8
2104443 -rw-rw-r-- 2 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt
2104443 -rw-rw-r-- 2 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt.bak

$ ln -s a.txt a.txt.s  # 建立軟鏈接
$ ls -li
total 8
2104443 -rw-rw-r-- 2 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt
2104443 -rw-rw-r-- 2 dwr dwr 6 Apr 10 22:20 a.txt.bak
2099642 lrwxrwxrwx 1 dwr dwr 5 Apr 10 22:25 a.txt.s -> a.txt

#include <unistd.h>

int link(const char *__from, const char *__to);
int symlink(const char *__from, const char *__to);

錯誤列印

perror

<errno.h>

根據設定的errno值列印對應的錯誤資訊，列印規則是先列印s中用戶定義的錯誤輸出，在列印系統呼叫錯誤的輸出提示，一定要在系統呼叫之后緊跟列印，否則會被覆寫

void perror(const char *s);

strerror

將錯誤代碼轉換為字串錯誤資訊，

char *strerror(int errno);

原子IO

fcntl

#include <fcntl.h>

int fcntl(int __fd, int __cmd, ...)

檔案IO緩沖

這里是Unix系統編程手冊第13章內容，不全待完善

read()和write()系統呼叫在操作磁盤檔案時不會直接發起磁盤訪問，而是僅僅在用戶空間緩沖區與內核緩沖區高速快取（kernel buffer cache）之間復制資料，write()在后續某個時刻，內核會將其緩沖區中的資料寫入（重繪至）磁盤，

Linux 內核對緩沖區高速快取的大小沒有固定上限，內核會分配盡可能多的緩沖區高速快取頁，而僅受限于兩個因素;可用的物理記憶體總量，以及出于其他目的對物理記憶體的需求（例如，需要將正在運行行程的文本和資料頁保留在物理記憶體中），若可用記憶體不足，則內核會將

解釋一下書中對IO系統呼叫的實驗：

總用時=CPU用時+磁盤讀寫用時
CPU用時=用戶CPU用時（用戶模式下執行的代碼）+系統CPU用時（內核模式（系統呼叫和資料在用戶和內核模式下傳輸）下執行的代碼）

stdio的緩沖

C語言中IO函式可以理解為系統IO呼叫+資料緩沖，免于撰寫者自己處理對資料的緩沖

int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int modes, size_t n)

控制stdio庫函式的緩沖形式，需要最先呼叫，之后的stdio操作才有效

stream
- 表示配置緩沖的檔案流
buf
- 不為空則使用size大小作為緩沖區（這個buf空間應該是堆記憶體上，避免函式呼叫和回傳對堆疊進行修改）
- 為空則自動分配（根據mode選擇是否分配）size大小空間
modes
- _IONBF：not，不緩沖，每一次呼叫stdio函式都立即呼叫系統呼叫
- _IOLBF：line，行緩沖，遇到換行符或緩沖區滿則呼叫系統呼叫，指向終端設備的流默認使用該模式
- _IOFBF：file，全緩沖，指向磁盤的流默認使用該模式
出錯回傳非0，成功回傳0

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