Linux系統程式設計（2）——檔案與IO之系統呼叫與檔案IO操作

系統呼叫是指作業系統提供給使用者程式的一組“特殊”介面，使用者程式可以通過這組“特殊”介面來獲得得作業系統核心提供的特殊服務。在linux中使用者程式不能直接訪部核心提供的服務。為了更好的保護核心空間，將程式的執行空間分為核心空間和使用者空間，他們執行在不同的級上，在邏輯上是相互隔離的。

在linux中使用者程式設計介面（API）遵循了在UNIX中最流行的應用程式設計介面標準——POSIX標準。這些系統呼叫程式設計介面主要通過C庫（libc）實現的。

POSIX（Portable OperatingSystem Interface）是由IEEE制定的標準，致力於統一各種UNIX系統的介面，促進各種UNIX系統向互相相容的發向發展。IEEE 1003.1（也稱為POSIX.1）定義了UNIX系統的函式介面，既包括C標準庫函式，也包括系統呼叫和其它UNIX庫函式。POSIX.1只定義介面而不定義實現，所以並不區分一個函式是庫函式還是系統呼叫，至於哪些函式在使用者空間實現，哪些函式在核心中實現，由作業系統的開發者決定，各種UNIX系統都不太一樣。IEEE 1003.2定義了Shell的語法和各種基本命令的選項等。本書的第三部分不僅講解基本的系統函式介面，也順帶講解Shell、基本命令、帳號和許可權以及系統管理的基礎知識，這些內容合在一起定義了UNIX系統的基本特性。

在UNIX的發展歷史上主要分成BSD和SYS V兩個派系，各自實現了很多不同的介面，比如BSD的網路程式設計介面是socket，而SYSV的網路程式設計介面是基於STREAMS的TLI。POSIX在統一介面的過程中，有些介面借鑑BSD的，有些介面借鑑SYSV的，還有些介面既不是來自BSD也不是來自SYSV，而是憑空發明出來的（例如本書要講的pthread庫就屬於這種情況），通過Man Page的COMFORMING TO部分可以看出來一個函式介面屬於哪種情況。Linux的原始碼是完全從頭編寫的，並不繼承BSD或SYSV的原始碼，沒有歷史的包袱，所以能比較好地遵照POSIX標準實現，既有BSD的特性也有SYSV的特性，此外還有一些Linux特有的特性，比如epoll(7)，依賴於這些介面的應用程式是不可移植的，但在Linux系統上執行效率很高。

可用的檔案I/O函式——開啟檔案、讀檔案、寫檔案等等。大多數linux檔案I/O只需用到5個函式：open、read、write、lseek以及close。不帶快取指的是每read和write都呼叫核心中的一個系統呼叫。這些不帶快取的I/O函式不是ANSIC的組成部分，但是POSIX組成部分。

檔案描述符

對於核心而言，所有開啟檔案都由檔案描述符引用。檔案描述符是一個非負整數。當開啟一個現存檔案或建立一個新檔案時，核心向程式返回一個檔案描述符。當讀、寫一個檔案時，用open或creat返回的檔案描述符標識該檔案，將其作為引數傳送給read或write。在POSIX.1應用程式中，整數0、1、2應被代換成符號常數STDIN_FILEN0、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO。這些常數都定義在標頭檔案<unistd.h>中

檔案描述符的範圍是0~OPEN_MAX。早期的UNIX版本採用的上限值是19（允許每個程式開啟20個檔案），現在很多系統則將其增加至63。

open函式

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#inlcude<fcntl.h>
int open(const char *pathname,intoflag,.../*,mode_t mode*/);

返回：若成功為檔案描述符，若出錯為-1

pathname是要開啟或建立的檔案的名字。

oflag引數可用來說明此函式的多個選擇項。

對於open函式而言，僅當建立新檔案時才使用第三個引數。

用下列一個或多個常數進行或運算構成oflag引數（這些常數定義在<fcntl.h>標頭檔案中）：

必選項：以下三個常數中必須指定一個，且僅允許指定一個。

O_RDONLY 只讀開啟

O_WRONLY 只寫開啟

O_RDWR 可讀可寫開啟

以下可選項可以同時指定0個或多個，和必選項按位或起來作為flags引數。可選項有很多，這裡只介紹一部分，其它選項可參考open(2)的Man Page：

O_APPEND 表示追加。如果檔案已有內容，這次開啟檔案所寫的資料附加到檔案的末尾而不覆蓋原來的內容。

O_CREAT 若此檔案不存在則建立它。使用此選項時需要提供第三個引數mode，表示該檔案的訪問許可權。

O_EXCL 如果同時指定了O_CREAT，並且檔案已存在，則出錯返回。

O_TRUNC 如果檔案已存在，並且以只寫或可讀可寫方式開啟，則將其長度截斷（Truncate）為0位元組。

O_NONBLOCK 對於裝置檔案，以O_NONBLOCK方式開啟可以做非阻塞I/O（Nonblock I/O），非阻塞I/O在下一節詳細講解。

注意open函式與C標準I/O庫的fopen函式有些細微的區別：

以可寫的方式fopen一個檔案時，如果檔案不存在會自動建立，而open一個檔案時必須明確指定O_CREAT才會建立檔案，否則檔案不存在就出錯返回。

以w或w+方式fopen一個檔案時，如果檔案已存在就截斷為0位元組，而open一個檔案時必須明確指定O_TRUNC才會截斷檔案，否則直接在原來的資料上改寫。

第三個引數mode指定檔案許可權，可以用八進位制數表示，比如0644表示-rw-r--r--，也可以用S_IRUSR、S_IWUSR等巨集定義按位或起來表示，詳見open(2)的Man Page。要注意的是，檔案許可權由open的mode引數和當前程式的umask掩碼共同決定。

補充說明一下Shell的umask命令。Shell程式的umask掩碼可以用umask命令檢視：

$ umask
0022

creat函式

可用creat函式建立一個新檔案。

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int creat(const char *pathname,mode_tmode);

返回：若成功只為寫開啟的檔案描述符，若出錯為-1。注意，此函式等效於：

open (pathname,O_WRONLY |O_CREAT|O_TRUNC,mode);

creat的一個不足之處是它以只寫方式開啟所建立的檔案。

close函式

可用close函式關閉一個開啟檔案：

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

返回：若成功為0，若出錯為-1

當一個程式終止時，它所有的開啟檔案都由核心自動關閉。很多程式都使用這一功能而不顯式地用close關閉開啟的檔案。

lessk函式——檔案定位

每個開啟檔案都有一個與其相關聯的“當前檔案偏移量”。它是一個非負整數，用以度量從檔案開始處計算的位元組數。通常，讀、寫操作都從當前檔案偏移理處開始，並使偏移理增加所計或寫的位元組數。按系統預設，當開啟一個檔案時，除非指定O_APPEND選擇項，否則該偏移量被設定為0。可以呼叫lseek顯式地定位一個開啟檔案。

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
off_t lseek(it filesdes,off_t offset,intwhence);

返回：若成功為新檔案位移，若出錯為-1。

對於引數offset的解釋與引數whence的值有關。

若whence是SEEK_SET，則將該檔案的位移量設定為距檔案開始處offset個位元組。若whence是SEEK_CUR,則將該檔案的位移量設定為其當前值加offset，offset可為正或負。若whence是SEEK_END，則將該檔案的位移量設定為檔案長度加offset,offset可為正或負。若lseek成功執行，則返回新的檔案位移量，為此可以用下列方式確定一個開啟檔案的當前位移量：

off_t currpos;
currpos=lseek(fd,0,SEEK_CUR);

read函式

用read函式從開啟檔案中讀資料

#include<unistd.h>
ssize_t read(int feledes,void *buff,size_tnbytes);

返回：讀到的位元組數，若已到檔案尾為0，若出錯為-1。如read成功，則返回讀到的位元組數。如已到達檔案的尾端，則返回0。有多種情況可使實際讀到的位元組數小於要求讀位元組數：

讀普通檔案時，在讀到要求位元組數之前已到達了檔案尾端。例如，若在到達檔案尾端之間還有30個位元組，而要求讀100個位元組，則read返回30，下一次再呼叫read時，它將返回0（檔案尾端）。當從終端裝置讀時，通常一次最多讀一行。

當從網路讀時，網路中的緩衝機構可能造成返回值小於所要求讀的位元組數。某些面向記錄的裝置，例如磁帶，一次最多返回一個記錄。讀操作從檔案的當前位移量處開始，在成功返回之前，該位移量增加實際讀得的位元組數。

write函式

用write函式向開啟檔案寫資料。

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

返回：若成功為已寫的位元組數，若出錯為-1。其返回值通常與引數

nbytes的值不同，否則表示出錯。write出錯的一個常見原因是：磁碟已寫滿，或者超過了對一個給定程式的檔案長度限制。

對於普通檔案，寫操作從檔案的當前位移量處開始。如果在開啟該檔案時，指定了O_APPEND選擇項，則在每次寫操作之前，將檔案位移量設定在檔案的當前結尾處。在一次成功寫之後，該檔案位移量增加實際寫的位元組數。