[Linux]APUE读书笔记：File I/O

文件描述符：

进程通过文件描述符来操作文件，文件描述符可以通过open, openat, creat系统调用返回;
shell和其他应用默认打开标准输入(STDIN_FILENO),标准输出(STDOUT_FILENO),标准错误(STDERR_FILENO)三个文件描述符。

open和openat函数：

文件可以通过调用open或者openat函数打开或者创建；
新文件描述符使用最小未使用原则；
TOCTTOU(time of check of time of use)的基本含义：程序是脆弱的，如果它调用两个基于文件的函数，并且后一个调用依赖于前一个调用的结果。因为这两个调用不是原子操作，在两个调用之间文件是可以被改变的，导致前一个调用的结果失效，错误发生。

creat函数：

creat函数以只写的方式创建文件；
creat函数完全可以用open函数代替：open(path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode)。

lseek函数：
　　1. 用于显式指定被打开文件的偏移量，返回当前文件的新偏移量;
　　2. 测试标准输入是否可以seek:

 1 #include "apue.h"
 2 
 3 int main(void)
 4 {
 5     if (lseek(STDIN_FILENO, 0, SEEK_CUR) == -1) {
 6         printf("canot seek
");
 7     }
 8     else {
 9         printf("seek OK
");
10     }
11     exit(0);
12 }

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　　3. 由于文件当前偏移量可能为负数，lseek的返回值应该和 -1 比较，而不是测试是否小于0；
　　4. 设置的当前文件偏移量大于文件长度时，文件中允许形成空洞，空洞不需要存储空间来存储；
　　5. 在文件中创建一个空洞：

 1 #include "apue.h"
 2 #include <fcntl.h>
 3 
 4 char buf1[] = "abcdefghij";
 5 char buf2[] = "ABCDEFGHIJ";
 6 
 7 int main(void)
 8 {
 9     int fd;
10 
11     if ((fd = creat("file.hole", FILE_MODE)) < 0) {
12         err_sys("creat error");
13     }
14 
15     if (write(fd, buf1, 10) != 10) {
16         err_sys("buf1 write error");
17     }
18     /*offset now = 10*/
19 
20     if (lseek(fd, 16384, SEEK_SET) == -1) {
21         err_sys("lseek error");
22     }
23     /*offset now = 16384*/
24 
25     if (write(fd, buf2, 10) != 10) {
26         err_sys("buf2 write error");
27     }
28 
29     exit(0);
30 }

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read/write函数：

read函数被用于从打开的文件中读取数据，返回读取的字节数；
write函数被用于向打开的文件中写数据，返回写入的字节数；

I/O效率：
　　1. 利用缓冲将标准输入复制到标准输出：

 1 #include "apue.h"
 2 
 3 #define BUFFSIZE 4096
 4 
 5 int main(void)
 6 {
 7     int n;
 8     char buf[BUFFSIZE];
 9 
10     while ((n = read(STDIN_FILENO, buf, BUFFSIZE)) > 0) {
11         if (write(STDOUT_FILENO, buf, n) != n) {
12             err_sys("write error");
13         }
14     }
15     if (n < 0) {
16         err_sys("read error");
17     }
18 
19     exit(0);
20 }

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　　2. Linux ext4文件系统，块大小是4096，缓冲大小最佳值是4096。
文件共享：
　　1. 内核使用三个数据结构表示打开的文件：

每个进程在进程表中都有一个记录项，记录项中包含一张打开文件描述符的表，与每个文件描述符相关联的是：文件描述符标志和指向文件表项的指针；
内核维护一张所有已打开文件的文件表，每个文件表包括：文件状态标志，当前偏移量，指向文件V节点表项的指针；
每个已打开文件(或者设备)都有一个V节点结构，Linux只有i节点；

原子操作：

任何需要多个函数的操作都不是原子操作；
调用pread相当于调用lseek后再调用read, 调用pwrite相当于调用lseek后再调用write,但是调用pread/pwrite是原子操作，且当前文件偏移量不更新；

dup和dup2函数：

一个已经存在的文件描述符可以用dup和dup2复制；
dup返回最小可用文件描述符，dup2用fd2指定新文件描述符，如果fd2已经打开，则先关闭，如果fd2和fd1相等，则直接返回fd2不关闭它；
dup/dup2总是清除新文件描述的close-on-exec标志；
dup(fd)/fcntl(fd, F_DUPFD, 0),dup2(fd1, fd2)/close(fd2);fcntl(fd, F_DUPFD, fd2);

sync, fsync和fdatasync函数：

sysc函数只将所有修改过的缓冲块排在写队列，然后返回，不等写磁盘发生；
fsync只对fd单一文件起作用，它等磁盘写完成后再返回；
fdatasync和fsync类似，但是它不同步更新文件属性，fsync同步更新；

fcntl函数：
　　1. fcntl函数可以改变一个已打开文件的属性；
　　2. fcntl函数有5种不同功能：

复制一个已经存在的描述符(cmd = F_DUPFD or F_DUPFD_CLOEXEC)；
获取/设置文件描述符标志(cmd = F_GETFD or F_SETFD);
获取/设置文件状态标志(cmd = F_SETFL or F_GETFL);
获取/设置异步I/O所有权(cmd = F_GETOWN or F_SETOWN);
获取/设置记录锁(cmd = F_GETLK, F_SETLK, F_SETLKW);

　　3. 打印具体描述符的文件标志:

 1 #include "apue.h"
 2 #include <fcntl.h>
 3 
 4 int main(int argc, char *argv[])
 5 {
 6     int val;
 7     if (argc != 2) {
 8         err_quit("usage: a.out <descriptor#>");
 9     }
10 
11     if ((val = fcntl(atoi(argv[1]), F_GETFL, 0)) < 0) {
12         err_sys("fcntl error for fd %d", atoi(argv[1]));
13     }
14     switch(val & O_ACCMODE) {
15     case O_RDONLY:
16         printf("read only");
17         break;
18     case O_WRONLY:
19         printf("write only");
20         break;
21     case O_RDWR:
22         printf("read write");
23         break;
24     default:
25         err_dump("unknow access mode");
26     }
27     if (val & O_APPEND) {
28         printf(",append");
29     }
30     if (val & O_NONBLOCK) {
31         printf(",nonblocking");
32     }
33     if (val & O_SYNC) {
34         printf(",synchronous writes");
35     }
36 #if !defined(_POSIX_C_SOURCE) && defined(O_FSYNC) && (O_FSYNC != O_SYNC)
37     if (val & O_FSYNC) {
38         printf(",synchronous writes");
39     }
40 #endif
41     putchar('
');
42 
43     exit(0);
44 }

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　　4. 打开文件描述符的一个或者多个文件状态标志:

 1 #include "apue.h"
 2 #include <fcntl.h>
 3 
 4 void set_fl(int fd, int flags)
 5 {
 6     int val;
 7     if ((val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0) {
 8         err_sys("fcntl F_GETFL error");
 9     }
10     val |= flags;
11     if (fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0) {
12         err_sys("fcntl F_SETFL error");
13     }
14 }

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ioctl函数：

ioctl函数是I/O操作的万能工具，尤其是对终端设备；

/dev/fd:

假如n是打开的，打开/dev/fd/n相当于复制描述符n;