【UNIX/Linux】文件I/O【Part 4】

本文是笔者拜读《UNIX环境高级编程》第3章（文件I/O）的学习笔记。本文的主要内容包括ioctl、/dev/fd，第3章的小结和习题。文中不仅包含书中的知识点，也包括笔者的理解。

ioctl函数

ioctl函数可处理特殊文件的基础设备参数。 特别是，可以使用ioctl请求来控制字符特殊文件（例如，终端）的许多操作特性。 参数fd必须是一个打开的文件描述符。第二个参数是设备相关的请求代码。 第三个参数（图中省略了）是指向内存的无类型指针。成功返回非负值，失败返回-1.

ioctl函数一直是I/O操作的杂物箱。不能用本章其他函数表示的I/O操作（如read、write、pread、pwrite、lseek等）通常都能用ioctl表示，如磁带I/O、终端I/O等。终端I/O是使用ioctl最多的地方，终端I/O的ioctl命令需要头文件<termios.h>。

每个设备驱动程序可以定义它自己专用的一组ioctl命令，系统则为不同种类的设备提供通用的ioctl命令。

/dev/fd

较新的系统都有/dev/fd/目录，打开文件/dev/fd/n等效于复制文件描述符n。大多数系统会忽略open函数指定的flag，有些系统要求此时的打开模式必须是/dev/fd/0（标准输入）初始打开时所使用的打开模式的子集。

fd = open("/dev/fd/0", flag);

等效于

fd = dup(0);

描述符0和fd共享同一文件表项。如果描述符0先前被打开为只读，那么程序也只能对fd进行只读操作。即使下面的调用是成功的：

fd = open("/dev/fd/0", O_RDWR);

但是在Linux的实现中/dev/fd是个例外。它把文件描述符映射成指向底层物理文件的符号链接。例如，当打开/dev/fd/0时，事实上正在打开与标准输入关联的文件，因此返回的文件描述符与/dev/fd文件描述符的模式并不相关。

标准输入、标准输出和标准错误关联到的是同一文件。

例（Linux环境）：

// devfd.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

void GetFlag(int fd) {
	int val = fcntl(fd, F_GETFL);
	if (val == -1) {
		perror("get fileFlag error");
	}
	switch (val & O_ACCMODE) {
	case (O_RDONLY):
		printf("read only\n");
		break;
	case (O_WRONLY):
		printf("write only\n");
		break;
	case (O_RDWR):
		printf("read and write\n");
		break;
	default:
		printf("unknown access mode\n");
		break;
	}
	if (val & O_APPEND) {
		printf("append\n");
	}
	if (val & O_SYNC) {
		printf("sync\n");
	}
	printf("----------\n");
}

int main() {
	GetFlag(0);
	int fd = open("/dev/fd/0", O_RDWR | O_SYNC);
	if (fd == -1) {
		perror("open /dev/fd/0 error");
	}
	GetFlag(fd);
	fd = dup(0);
	GetFlag(fd);
	close(fd);
	return 0;
}

fcntl获取不到O_TRUNC和O_CREAT，或许它们不属于文件状态标志。open函数的第2个参数并不都属于文件状态标志。文件状态标志只包含必选标志和非阻塞、追加写和一些同步标志。

运行结果：

笔者进一步测试发现，open函数的返回值是3，dup的返回值是4。如果往描述符3里写数据，数据并不会显示在终端上，而write操作并没有出错。如果往描述符4里写数据（标准输入流处于可读写模式下），数据就会显示在终端上（就像往标准输出写一样）。
描述符3支持lseek操作，描述符4不支持。
笔者猜想：open函数打开的是和标准输入关联的底层文件，使用write的确能将数据写入文件，但不会显示在终端上。而描述符4和标准输入共享很多数据。说到底描述符3和4没有共享文件表项。

dup返回的文件描述符和描述符0共享文件表项，文件状态标志和文件偏移量始终是一样的。而使用open打开/dev/fd/0时，事实上正在以指定的状态标志打开与标准输入关联的文件。open返回的文件描述符和描述符0并不共享文件表项。

也可以用/dev/fd作为路径名参数调用creat，这与调用open时指定O_CREAT作用相同。但因为Linux实现使用指向实际文件的符号链接，调用create的话会导致底层文件被截断。

/dev/fd文件主要由shell使用，它允许使用路径名作为调用参数的程序，能使用路径名访问到标准输入输出。如下图的命令行所示，cat将从标准输入读到的数据打印到标准输出。

小结

本章说明了UNIX系统提供的基本I/O函数。因为read和write都在内核执行，所以称这些函数为不带缓冲的I/O函数。本章的主要内容总结为以下几点：
（1）open和openat函数的区别，flags参数（必选标志、可选标志）。
（2）close函数关闭文件描述符。
（3）lseek函数移动文件指针。（pipe、fifo、socket、标准输入输出错误等特殊文件无法使用lseek）。
（4）读文件：read和pread。写文件：write和pwrite。
（5）文件的共享。进程表、进程表项、打开文件描述符表、文件表、文件表项、v/i节点。有些描述符共享的是文件表项，有些共享的是v/i节点。
（6）文件描述符标志、文件状态标志。
（7）原子操作。pread和pwrite是定位读写位置加读写数据的原子操作，且不改变文件指针。open函数的flags参数指定常量O_CREAT和O_EXCL是检测文件是否存在加创建文件的原子操作。
（8）dup和dup2函数用于复制文件描述符（新旧描述符共享文件表项）。使用open函数才能创建自己的文件表项。
（9）sync、fsync和fdatasync是文件同步更新的系统调用。
（10）fcntl函数。用于获取/设置 打开文件的文件描述符标志/文件状态标志，复制文件描述符，获取/设置异步I/O信号的所有权，获取/设置记录锁。
（11）ioctl用于执行某些特殊文件的I/O操作。
（12）/dev/fd/0、/dev/fd/1和/dev/fd/2是标准输入、输出、错误的路径名。

习题

3.1

题目：当读/写磁盘文件时，本章中描述的函数确实是不带缓冲机制的吗？请说明原因。
答：read和write本身不带缓冲，但系统具体实现的I/O是带缓冲的。现在的操作系统采用一种预读技术，当系统发现进程在顺序地读写文件时，在调用read或write的时候，会多读写一些数据放在缓冲区里。当下次调用read/write的时候，直接使用缓冲区里的数据，进而提升I/O的效率。

3.2

题目：编写一个与3.12节中dup2功能相同的函数，要求不调用fcntl函数，并且要有正确的出错处理。
答：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

void clsFd(int *arrFd, int cls) {
	for (int i = 0; i < cls; ++i) {
		close(arrFd[i]);
	}
}

int myDup2(int oldFd, int newFd) {
	if (oldFd < 0 || newFd < 0) {
		perror("invalid descriptor number");
		return -1;
	}
	// 使用dup判断oldFd是否是打开的文件描述符
	int fd = dup(oldFd);
	if (fd == -1) {
		perror("descriptor oldFd not open");
		return -1;
	}
	close(fd);
	// 相等，直接返回
	if (oldFd == newFd) {
		return newFd;
	}
	// 如果newFd打开，则关闭
	close(newFd);
	// 使用dup关联oldFd和newFd
	int arrFd[newFd];
	int cls = 0;
	for (int i = 0; i <= newFd; ++i) {
		int tmp = dup(oldFd);
		if (tmp == -1) {
			perror("dup error");
			clsFd(arrFd, cls);
			return -1;
		}
		else if (tmp == newFd) {
			break;
		}
		else {
			arrFd[cls++] = tmp;
		}
	}
	clsFd(arrFd, cls);
	return newFd;
}

3.3

题目：假设一个进程执行下面3个函数调用：

fd1 = open(path, oflags);
fd2 = dup(fd1);
fd3 = open(path, oflags);

画出以上代码涉及的进程表项、文件表项和v节点之间的共享关系图。对fcntl作用于fd1来说，F_SETFD命令会影响哪一个文件描述符？F_SETFL呢？
答：fd1和fd2共享文件表项，fd3重新打开了文件。

每个文件描述符都有自己的文件描述符标志，对fd1执行F_SETFD命令只会影响fd1的文件描述符标志。fd1和fd2共享文件表项（共享文件状态标志和文件偏移量），对fd1执行F_SETFL命令会影响fd1和fd2描述符对应的文件状态标志。

3.4

题目：许多程序中都包含下面一段代码：

dup2(fd, 0);
dup2(fd, 1);
dup2(fd, 2);
if (fd > 2) {
	close(fd);
}

为了说明if语句的必要性，假设fd是1，画出每次调用dup2时3个描述符项及相应的文件表项的变化情况。然后再画出fd为3的情况。
答：
（1）当fd=1时，第一条语句先关闭文件描述符0，再重新打开它，并让它和文件描述符1共享文件表项。函数返回0。（相当于将0重定向到1）。

第二条语句，函数直接返回1，图没有变化。
第三条语句先关闭文件描述符2，再重新打开它，并让它和文件描述符1共享文件表项。函数返回2。

不执行close(fd);最后文件描述符0，1，2都被重定向到了标准输出。
（2）当fd=3时，第一条语句先关闭文件描述符0，再重新打开它，并让它和文件描述符3共享文件表项。函数返回0。

第二条语句先关闭文件描述符1，再重新打开它，并让它和文件描述符3共享文件表项。函数返回1。

第三条语句先关闭文件描述符2，再重新打开它，并让它和文件描述符3共享文件表项。函数返回2。

最后关闭文件描述符3。文件描述符0，1，2都指向原来文件描述符3所对应的文件表项。

如果文件描述符fd是个可写的文件，在执行了语句dup2(fd,1);后，所有往标准输出流打印的数据将被写在fd对应的文件里。

3.5

题目：在Bourne shell、Bourne-again shell和Korn shell中，digit1>&digit2表示要将描述符digit1重定向至描述符digit2的同一文件。请说明下面两条命令的区别。
$：./a.out > outfile 2>&1
$：./a.out 2>&1 > outfile
（shell从左到右处理命令行）
答：假设shell打开outfile的文件描述符为3。
第一条命令相当于shell执行了：dup2(3, 1); dup2(1, 2);先让描述符1和描述符3共享描述符3的文件表项，再让描述符2和描述符1共享描述符1的文件表项，描述符3没动。而此时描述符1和描述符3共享文件表项，所以这三个描述符都指向了描述符3的文件表项。
导致标准输出和标准错误都重定向到了文件outfile。

第二条命令相当于shell执行了：dup2(1, 2);dup2(3, 1);先让描述符2和描述符1共享描述符1的文件表项，再让描述符1和描述符3共享描述符3的文件表项，描述符3没动。最终描述符2指向了描述符1原来的文件表项，描述符1指向了描述符3的文件表项。
导致标准错误重定向到了标准输出（终端），标准输出重定向到了文件outfile。

3.6

题目：如果使用追加标志打开一个文件以便读、写，能否仍用lseek在任一位置开始读？能否用lseek更新文件中任一部分的数据？请编写一段程序验证。
答：可以使用lseek从任一位置开始读，但不能更新原文件中任一部分的数据，只能追加写。

// t6.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
	int fd = open("./t.txt", O_RDWR | O_APPEND);
	if (fd == -1) {
		perror("open error");
		return -1;
	}
	lseek(fd, 0, SEEK_SET);
	char buf[20] = "promising\n";
	int wNum = write(fd, buf, 10);
	if (wNum != 10) {
		perror("write error");
		return -1;
	}
	lseek(fd, 0, SEEK_SET);
	int rNum = read(fd, buf, 6);
	if (rNum == -1) {
		perror("read error");
		return -1;	
	}
	buf[rNum] = '\0';
	printf("read:%s", buf);
	close(fd);
	return 0;
}

如果既想更新原文件中的部分数据，又不想删除原文件的所有数据，那么在使用open时就不能指定O_TRUNC和O_APPEND,使用默认可写方式打开。