UNIX环境编程之<二>文件共享I/O操作dup,fcntl函数

本文介绍了文件共享机制,包括进程间文件描述符表、文件表和v节点结构的作用及关系,探讨了原子操作pread和pwrite函数的应用,并详细解释了dup、dup2和fcntl函数的功能与用法。

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1. 文件共享

如图,内核使用三种数据结构表示打开的文件
这里写图片描述
1. 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表(包含文件描述符标识close_on_exec;一个指向文件表项的指针);
2. 内核为所有打开文件维持一张文件表,包含:(a)文件状态标识(读、写、填写、同步、非阻塞);(b)当前文件偏移量;(c)指向该文件v节点表项的指针
3. 每个打开文件(或设备)都有一个v节点(v-node)结构,v节点包含了文件类型和对此文件进行各种操作的函数的指针。
文件描述符标识和文件状态标识不一样,fcntl函数可以修改
两个独立进程各自打开同一文件,如图
这里写图片描述

2. 原子操作

#include <unistd.h>
/*返回读到的字节数,若已到文件结尾则返回0,若出错返回-1*/
ssize_t pread(int fd, void *buf, size_t count, off_t offset);
/*返回:成功则返回已写的字节数,若出错则返回-1*/
ssize_t pwrite(int fd, const void *buf, size_t count, off_t offset);

注意pread函数和pwrite函数都是原子操作

3. dup和dup2函数

以下函数可以复制一个现存的文件描述符。

#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);//返回当前可用文件描述符中的最小值
int dup2(int oldfd, int newfd);
/*两函数的返回值:成功返回新的文件描述符,若出错返回-1*/

返回的新文件描述符与参数oldfd共享同一个文件表项,所以共享同一文件状态标志(读、写、添写)以及同一文件偏移量,如图
这里写图片描述
每个文件描述符都有一套文件描述符标志,新描述符执行时关闭(close-on-exec)标志总是由dup函数清除

fcntl(oldfd,F_DUPFD,0)

4. fcntl函数

fcntl函数可以改变已打开文件的性质

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
/*返回值则依赖于cmd(见下),若出错则返回-1*/

fcntl函数有以下功能
1. 复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD)
2. 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD)
3. 获得/设置文件状态标志(cmd=F_GETFL或F_SETFL)
4. 获得、设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN)
5. 获得、设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW)

1. fcntl复制文件描述符

fcntl(oldfd,F_DUPFD,filedes);
/*新文件描述符作为函数返回,返回值:从filedes向下搜索最小可用的文件描述符;
新文件描述符与oldfd共享文件描述表,但是新文件描述符有它自己的一套文件描述符标志,其FD_CLOEXEC文件描述符标志被清除(这表示该描述符在通过一个exec时任保持有效)
*/

2. 设置文件状态标志

例子

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int val;
    if (argc != 2)
    {
        printf("usage: a.out");
        exit(1);
    }
    if ((val=fcntl(atoi(argv[1]),F_GETFL,0)) < 0)
    {
        perror("fcntl error");
        exit(1);
    }
    //由于O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR是互斥的,因此需要如下判断
    switch (val & O_ACCMODE)
    {
        case O_RDONLY:
            printf("read only");
            break;
        case O_WRONLY:
            printf("write only");
            break;
        case O_RDWR:
            printf("read write");
            break;
        default:
            printf("unkown access mode");
    }

    if (val & O_APPEND)
        printf(", append");
    if (val & O_NONBLOCK)
        printf(", nonblocking");
    if (val & O_SYNC)
        printf(", sync writes");
    if (val & O_FSYNC)
        printf(", sync writes");

    putchar('\n');

    exit(0);
}

运行结果如下

./a.out 0(1,2)
结果1read write 
./a.out 0 < /dev/tty (可以这么看 命令 < /dev/tty,而命令是./a.out 0)
结果2:read only
./a.out 1 > tmp  
结果3:查看tmp是write only
./a.out 2 2>>tmp
结果4:write only, append
./a.out 5 5<>tmp
结果5:read write

3. 设置文件描述符标志

void set_fl(int fd, int flags)
{
    int ret;
    if ((ret=fcntl(fd,F_GETFL,0)) < 0)
    {
        perror("fcntl F_GETFL error");
        exit(1);
    }
    ret |= flags;
    if (fcntl(fd,F_SETFL,ret) < 0)
    {
        perror("fcntl F_SETFL error");
        exit(1);
    }
}

如果将上诉程序改成ret &= ^flags(turn flags off,则构成了另一个函数,称为clr_fl。

  • write的原理
    如果set_fl(STDOUT_FILENO,O_SYNC),这样就使每次write都要等待,直至数据已写到磁盘上再返回,在UNIX系统中,write通常只是将数据排入队列,而实际的写磁盘操作则可能在以后某个时刻进行,程序运行时,设置O_SYNC标志会增加时钟时间。

5. /dev/fd

/dev/fd中是名为0,1,2,等的文件,打开文件/dev/fd/n等效于复制描述符(如果文件描述符n是打开的)

fd = open("/dev/fd/0", mode)//往往会忽略mode
等效于fd = dup(0);

某些系统还提供/dev/stdin、/dev/stdout、/dev/stderr,等效于/dev/fd/0,/dev/fd/1,/dev/fd/2。/dev/fd文件主要是由shell使用。

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