檔案 IO

記錄書中的重要知識和思考實踐部分

Unix 每個檔案都對應一個檔案描述符（file descriptor），為一個非負整數，一個檔案可以有多個fd， 後面所有與檔案（裝置，套接字等）有關操作都是圍繞這個fd來的。
在shell中 < > 都為重定向符號，前者為重定向輸入，後者為輸出。

檔案的開啟

#include <fcntl.h>
int open(const char *path, int flags, ... /* mode_t mode */);
int openat(int fd, const char *path, int flags, ... /* mode_t mode */);
 

O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR, O_EXEC, O_SEARCH 這五個引數（flags）是必須的，另外可選的引數裡面 O_CLOEXEC 與 FD_CLOEXEC 都是在 exec() 函式中關閉檔案描述符的標誌，這個後面會看到。

檔案偏移量

#include <unistd.h>
int lseek(fd, off_t off, int wheren);

我們使用 lseek 函式的時候，比如lseek(fd, 10, SEEK_END); 這樣會導致檔案的偏移量增加而檔案的大小仍然不變，
但是當再使用 write 函式向檔案中寫入資料時，直接給個例子更好理解, 檔案 foo 中原有資料為123。

int fd;
if ((fd = open("./foo", O_RDWR)) < 0)
        err_sys("open error for foo");
lseek(fd, 2, SEEK_END);
write(fd, "zxh", 3);

$ od -c foo
0000000   1   2   3  \0  \0   z   x   h
0000010

可以看到產生兩個\0，產生了空洞檔案。
使用以下的方式得到當前的檔案偏移量。

off_t off;
off = lseek(fd, 0, SEEK_END);  // off 為當前的檔案偏移量，在上例中為 5

原子操作
操作是不可中斷的，如 read write 系統呼叫，可能讀取或者寫入的資料少於我們要的數量，但是在函式呼叫這個事件上要麼直接成功要麼直接失敗。
新檔案的讀寫可以使用 open 函式的 O_CREAT 標誌來建立再讀寫，此為原子操作；
還有一種方式是使用 creat 函式建立檔案後再用 open 開啟，這裡有兩個呼叫，當進行程序切換時候，其他程序對此檔案進行處理，產生意向不到的錯誤。

上面是檔案的建立操作，還有檔案描述符的複製操作, 也是如此，對於單程序的效果是一樣的，但是在多程序的時候就

dup2(fd, fd2);
  等效於
close(fd2);
fcntl(fd, F_DUPFD, fd2);

函式 fcntl
可以改變檔案的屬性，算的上是個雜貨箱吧。

函式原型
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);

功能：

• 複製一個已有的描述符(cmd = F_DUPFD 或 F_DUPFD_CLOEXEC)
• 獲取/設定檔案描述符標誌(cmd = F_GETFD 或 F_SETFD)
• 獲取/設定檔案狀態標誌(cmd = F_GETFL 或 F_SETFL)
  • F_GETFL 只能用遮蔽字O_ACCMODE取得存取方式位
  • F_SETFL 更改的標誌只有 O_APPEND，O_NONBLOCK，O_SYNC 和 O_ASYNC
• 獲取/設定非同步IO所有權(cmd = F_GETOWN 或 F_SETOWN)
• 獲取/設定記錄鎖(cmd = F_GETLK、F_SETLK 或 F_SETLKW)

函式的返回值依賴引數而定，所有失敗都是返回 -1，除特定引數，如下:

• F_DUPFD、F_DUPFD_CLOEXEC，返回新的檔案描述符，FD_CLOEXEC標誌被清除
• F_GETFD, 返回檔案描述符標誌，當前只定義了一個 FD_CLOEXEC
• F_GETFL，返回檔案狀態標誌，O_RDONLY等
• F_GETOWN，返回一個程序組ID

成功返回 0。

設定檔案描述符標誌（FD_CLOEXEC）和檔案狀態標誌可用如下函式

int set_cloexec(int fd)
{
    int val = fcntl(fd, F_GETFD, 0);
    val |= FD_CLOEXEC;
    return fcntl(fd, F_SETFD, val);
}

int set_fl(int fd, int flags)
{
    int val = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
    val |= flags;
    return fcntl(fd, F_SETFL, val);
}

檔案描述符標誌 FD_CLOEXEC
在前面提到，open 函式用使用 O_CLOEXEC 標誌會是開啟的檔案描述符在exec開啟的程序中關閉，可以達到程序間的檔案隔離的效果。

#ifdef _CLOEXEC
    open("./foo", O_CLOEXEC | O_RDWR);
#else
    open("./file.hole", O_RDWR);
#endif

execl("./rdwr", "rdwr", "10000", NULL);

執行execl後進程是 rdwr，在編譯命令裡面加入 -D_CLOEXEC 選項來看變化

可以發現沒有佔用foo，不加入-D_CLOEXEC

這樣也存在一個問題，在另外一個程序裡關閉了檔案描述符，就須注意當前程序後面不能再對檔案進行操作了。

上面是 open 函式，我們同樣可以用fcntl來改變檔案的描述符標誌，直接呼叫上面的 set_cloexec(fd) 也可以達到這個效果;

  5 #include <fcntl.h>
  6 #include "apue.h"
  7
  8 // int fcntl(int fd, int cmd, ... /* int arg */);
  9
 10 // F_DUPFD F_DUPFD_CLOEXEC
 11 // return new fd.
 12 int dupfd(int fd) {
 13     printf("fcntl_dup: %d\n", fd);
 14     int new_fd = fcntl(fd, F_DUPFD, 4);  // new_fd 應該是 fd + 1
 15     if (new_fd < 0)
 16         err_sys("fcntl F_DUPFD error\n");
 17     printf("F_DUPFD: %d\n", new_fd);
 18     return new_fd;
 19 }
 20
 21 // F_GETFD
 22 int getfd(int fd) {
 23     int val = fcntl(fd, F_GETFD);
 24     if (val < 0)
 25         err_sys("fcntl F_GETFD error");
 26     printf("getfd %d\n", val);
 27     if (val & FD_CLOEXEC)  // 這裡 0，所以只會走 30 行的
 28         printf("getfd FD_CLOEXEC\n");
 29     else
 30         printf("getfd not FD_CLOEXEC\n");
 31
 32     close(val);
 33     return val;
 34 }
 35
 36 //  F_SETFD
 37 int setfd(int fd) {
 38     int val = set_cloexec(fd);
 39     printf("setfd %d\n", val);
 40     // execl("./rdwr", "rdwr", "123", NULL);
 41     return val;
 42 }
 43
 44 void setfl(int fd, int flags) {
 45     set_fl(fd, flags);
 46 }
 47
 48 int getfl(int fd) {
 49     int val;
 50     if ((val = fcntl(fd, F_GETFL)) < 0)
 51         err_sys("fcntl F_GETFL error");
 52
 53     switch (val & O_ACCMODE) {
 54         case O_RDONLY:
 55             printf("read only\n");
 56             break;
 57         case O_WRONLY:
 58             printf("write only\n");
 59             break;
 60         case O_RDWR:
 61             printf("read write\n");
 62             break;
 63         default:
 64             err_dump("unkown access mode");
 65     }
 66     if (val & O_APPEND)
 67         printf(", append");
 68     if (val & O_NONBLOCK)
 69         printf(", nonblocking");
 70     if (val & O_SYNC)
 71         printf(", synchronous writes");
 72     return val;
 73 };
 74
 75 int main(int argc, char *argv[]) {
 76     int fd;
 77
 78     if ((fd = open("./foo", O_RDWR | O_CREAT)) < 0)
 79         err_sys("open error");
 80     dupfd(fd);
 81     getfd(fd);
 82     setfd(fd);
 83     getfl(fd);
 84 //    setfl(fd, O_APPEND);  // 從檔案為開始操作
 85     if (write(fd, "jinpi", 5) < 0)
 86         err_sys("write error");
 87 }