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File

Linux的哲学是“一切皆文件”。所以学习如何操作File是Linux编程的重要部分。

Introduction

Basic IO

所有执行 I/O 操作的系统调用都以文件描述符，一个非负整数（通常是小整数），来指代打开的文件。文件描述符用以表示所有类型的已打开文件，包括管道（pipe）、FIFO、socket、终端、设备和普通文件。按照惯例，0是标准输入文件，1是标准输出文件，2是标准错误文件。

对文件的操作可以抽象为三个步骤-打开文件，操作（读写）文件，关闭文件。分别对应4个系统调用：

  • fd = open(pathname, flags, mode) 函数打开 pathname 所标识的文件，并返回文件描述符，用以在后续函数调用中指代打开的文件。如果文件不存在，open()函数可以创建之，这取决于对位掩码参数 flags 的设置。flags 参数还可指定文件的打开方式：只读、只写亦或是读写方式。mode 参数则指定了由 open() 调用创建文件的访问权限，如果 open() 函数并未创建文件，那么可以忽略或省略 mode 参数。
  • numread = read(fd, buffer, count) 调用从 fd 所指代的打开文件中读取至多 count 字节的数据，并存储到 buffer 中。read()调用的返回值为实际读取到的字节数。如果再无字节可读（例如：读到文件结尾符 EOF 时），则返回值为 0。
  • numwritten = write(fd, buffer, count) 调用从 buffer 中读取多达 count 字节的数据写入由 fd 所指代的已打开文件中。write()调用的返回值为实际写入文件中的字节数，且有可能小于 count。
    • 值得注意的是对磁盘文件执行 I/O 操作时，write()调用成功并不能保证数据已经写入磁盘。可能还需要额外的同步。
  • status = close(fd)在所有输入/输出操作完成后，调用 close()，释放文件描述符 fd 以及与之相关的内核资源。

在Cache and Buffer 这篇文章中，我们探讨了系统调用read和write是不包含Buffer的，而通过在应用层添加Buffer往往可以大大提高读写的效率。

虽然上面的四个系统调用，配合不同的参数可以处理绝大多数的情况。但是上面的“文件”实际上是一种抽象的字节流，实际上的文件可能是一些奇奇怪怪的外设。为此ioctl()系统调用又为执行文件和设备操作提供了一种多用途机制。

File Property

利用系统调用 stat()、lstat()以及 fstat()，可获取与文件有关的信息，其中大部分提取自文件 i-node。包括时间戳、属主信息、权限信息等。

目录是一种特殊的文件。虽然一个进程能够打开一个目录，但却不能使用 read() 去读取目录的内容，同样也不能使用 write()来改变一个目录的内容，而是使用getdents() 系统调用读取目录内容，使用link()、mkdir()、symlink()、unlink()及 rmdir()之类的系统调用来间接（向内核请求）改变其内容。

监控文件系统事件

某些应用程序需要对文件或目录进行监控，已侦测其是否发生了特定事件。例如，当把文件加入或移出一目录时，图形化文件管理器应能判定此目录是否在其当前显示之列，而守护进程可能也想要监控自己的配置文件，以了解其是否被修改。
自内核 2.6.13 起，Linux 开始提供 inotify 机制，以允许应用程序监控文件事件。

Pipe

Kernel Details

知道一些内核实现上的细节可以帮我我们更好的编写应用程序。

文件描述符和打开文件之间的关系

Linux利用三个数据结构维护打开的文件：

  • 进程级的 文件描述符表 File Descriptor Table。
  • 系统级的 打开文件表 Open File Table。
  • 文件系统的 i-node 表。
  • 针对每个进程，内核也为其维护了 Open File Descriptor Table。他保存对Open File Description Table条目的引用。
  • 内核对所有打开的文件维护有一个系统级的 Open File Table。一个打开文件句柄存储了与一个打开文件相关的全部信息，如下所示。
    • 当前文件偏移量（调用 read()和 write()时更新，或使用 lseek()直接修改）。
    • 打开文件时所使用的状态标志（即，open()的 flags 参数）。
    • 文件访问模式（如调用 open()时所设置的只读模式、只写模式或读写模式）。
    • 与信号驱动 I/O 相关的设置。
    • 对该文件 i-node 对象的引用。

他们之间的关系如图所示：

文件描述符表 打开文件表 i-node表

![NOTE]
所以想要让两个进程同时对文件进行读写不冲突，除了使用APPEND模式（日志的写法），还可以让他们指向同一个打开文件表中的项目，除了FORK，还可以通过 UNIX 域套接字将一个打开的文件描述符传递给另一进程。

虚拟文件系统

参考VFS。这是曾经在木链实习的时候做的一些笔记。

Practice