Linux系统IO

news2025/1/4 21:55:04

文章目录

  • Linux系统IO
      • sysio简介
      • sysio版本的copy
          • 示例代码
          • 代码说明
          • 函数讲解
          • 如何编译 运行
      • 系统IO与标准IO的区别
          • 示例代码
          • 函数讲解
          • 编译 运行？
        • 程序中的重定向
          • 代码示例
          • 代码说明
          • 函数讲解
          • 编译 运行？
          • 代码示例
          • 函数讲解
          • 编译 运行

Linux系统IO

sysio简介

所谓文件IO就是指文件的 输入(input)和 输出(output)
Linux 把大部分系统资源当作文件并呈现给用户，用户只需按照文件 I/O 的方式，就能完成数据的输入输出。 Linux 文件按其代表的具体对象，可大致分类为：

  • 普通文件，即一般意义上的文件、磁盘文件；
  • 设备文件，代表的是系统中一个具体的设备；
  • 管道文件、 FIFO 文件，一种特殊文件，常用于进程间通信；
  • 套接字（socket)文件，主要用在网络通信方面。
    Linux 系统提供的文件 I/O 接口函数，是以最基本的系统服务形式提供的，又称它们为基本 I/O 函 数。这些函数有个共同的特点： 它们都通过文件描述符（file descriptor）来完成对指定文件的 I/O 操 作。文件描述符 fd（file descriptor）是进程中用来表示某个文件的整数， 有的文献资料中又称它为文件句柄（file handle）。
    在Linux中，文件IO有两种实现方式，一种称为标准IO(stdio)，一种称为系统IO(sysio)。这两者也就类似于普通话与方言的区别。
    在本文来介绍系统IO，系统IO与标准IO不同的是:系统IO有一个概念叫文件描述符fd贯穿始终，而在标准IO中是FILE类型贯穿始终，我们知道系统IO是指系统底层的syscall(系统调用)，每一个系统都有不同的系统调用，标准IO的出现才有了意义。
    接下来,请跟我着手几个小例子，一起掌握Linux下的系统IO吧。

sysio版本的copy

大家应该都在shell中使用过cp命令吧。
请添加图片描述
cp命令用来copy一个文件或者是文件夹，这次我们使用sysio实现一个简易版的cp命令。
对于Linux自带的cp来说，要求我们在终端中输入具体的选项以及原路径和目标路径。
我们的简易版的mycopy也要具备这样的功能。

示例代码
#include "iostream"
#include "stdio.h"
#include "sys/stat.h"
#include "sys/wait.h"
#include "sys/types.h"
#include "unistd.h"
#include "errno.h"
#include "string.h"
#include <fcntl.h>

using namespace std;

#define BUFSIZE 9

int main(int argc, char **argv)
{
    char buffer[BUFSIZE];
    ssize_t ret = 0;
    if (argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage....\n");
        exit(1);
    }
    /*
    以只读的方式打开src文件
    */
    int sfd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (sfd < 0)
    {
        /*源文件打开失败*/
        fprintf(stderr, "open() %s\n", strerror(errno));
        exit(1);
    }
    int dfd = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0600);
    if (dfd < 0)
    {
        /*目标文件打开失败*/
        /*记得关闭源文件*/
        close(sfd);
        fprintf(stderr, "open() %s\n", strerror(errno));
        exit(1);
    }
    /*从源文件中读取BUFSIZE个字节放道数据缓冲区中*/
    int len = read(sfd, buffer, BUFSIZE);
    if (len <= 0)
    {
        fprintf(stderr, "read() %s\n", strerror(errno));
        exit(1);
    }
    if (len > 0)
    {
        /*以防写入不足*/
        ret = write(dfd, buffer, BUFSIZE);
        if (ret < 0)
        {
            fprintf(stderr, "write() %s\n", strerror(errno));
            exit(1);
        }
    }
    close(dfd);
    close(sfd);
    exit(0);
}
代码说明

以只读的方式打开源文件src,从src中读取BUFSIZE个字节到buffer缓冲区中。同时以只写的方式打开目标文件dest，从buffer缓冲区中向目标文件写入数据，一次性写入BUFSIZE个字节

函数讲解

open()函数定义如下:
open()函数打开或者创建一个文件
在这里插入图片描述

  int open(const char *pathname, int flags);
  int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

open()函数要求传入一个const char *pathname路径名称。
参数flags参考如下:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
通过open()函数创建的文件权限是多少呢？man手册给出了明确的解释：
在这里插入图片描述
当前的创建的文件权限为mode & ~umask。
同时，open()函数会返回一个打开文件的文件描述符fd，如果出错则返回-1，并设置errno。
在这里插入图片描述
read()函数定义如下:
read()函数从一个fd文件描述符中读取数据
在这里插入图片描述

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
int fd:fd指向要读取的源文件
void *buf:存储源文件中读取的字符串
size_t count:读取的字节数

read()函数从fd对应的文件中读取字符串，一次性读取count个字节，读取的字符串会存放在缓冲区buffer中。

man手册中还提到了，如果操作成功，read()函数会返回读取的字节数；如果操作失败，会返回-1，并设置errno。
在这里插入图片描述
write()函数定义如下:
write()函数向fd对应的文件中写入数据。
在这里插入图片描述

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
int fd：fd对应的目标文件
const void *buf:从缓冲区buffer中向fd对应的目标文件写入数据
size_t count:一次性向目标文件写入的字节数

在这里插入图片描述
如果成功，write()函数会返回写入的字节数，如果失败，会返回-1，并设置errno。
close()函数定义如下:
close()函数关闭已经打开的文件
在这里插入图片描述

int close(int fd);
int fd:已经通过open打开的文件对应的文件描述符

如果成功返回0，如果失败则返回-1，并设置errno。这个close()函数与标准IO中的fclose()函数一般都是
操作成功的，不需要进行异常处理

如何编译 运行

首先您的当前路径中要存在一个源文件，
加粗样式

g++ main.cpp -o mycopy
./mycopy src dest

在这里插入图片描述

系统IO与标准IO的区别

标准IO的吞吐量大 系统IO的响应速度快(是对程序而言，对用户而言stdio的速度“更快”)

示例代码
#include "iostream"
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    for (int i = 0; i < 1025; i++)
    {
        putchar('a');
        write(1, "b", 1);
    }
    exit(0);
}
函数讲解

标准IO与系统IO联系的纽带:fileno() fdopen()
我们要注意，标准IO与系统IO不可以混用。
fileno()定义如下:
在这里插入图片描述

int fileno(FILE *stream);

fileno()函数要求输入一个FILE类型，并返回一个文件描述符
fdopen()定义如下:
在这里插入图片描述

FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
int fd:已经打开文件的对应文件描述符
const char *mode:权限模式
在这里插入图片描述
将FILE流与现有的文件描述符相关联。
如果成功返回一个文件指针;如果失败返回一个NULL，并设置errno

编译 运行？
g++ main.cpp -o main.o
./main.o

在这里插入图片描述

strace可以用来查看一个可执行文件的系统调用，使用strace ./main.o可以看到先进行1024次系统调用然后缓冲区满了1024合并为一次系统调用
在这里插入图片描述
putchar()是标准IO write()是系统IO。标准IO的吞吐量大 系统IO的响应速度快(是对程序而言，对用户而言stdio的速度“更快”)
在考虑到源代码的移植性好，通常选用标准IO而不是系统IO

程序中的重定向

dup 将传入的文件描述符复制到可使用的(未使用的)最小新文件描述符,在下面的例子中，将标准输出关闭后，文件描述符1空闲(不发生竞争时)，dup将会把打开了文件out的文件描述符复制给文件描述符1 ，之后对文件描述符1 的操作就相当与操作文件out

代码示例
#include "stdio.h"
#include "iostream"
#include "stdlib.h"
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include "string.h"
#include "errno.h"
#include "unistd.h"

using namespace std;

#define FNAME "out"

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd = -1;
    fd = open(FNAME, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0600);
    if (fd < 0)
    {
        fprintf(stderr, "open() %s\n", strerror(errno));
        exit(1);
    }
    close(1);
    dup(fd);
    close(fd);
    printf("hello world\n");
    exit(0);
}
代码说明

通过open()函数以只写的方式打开FNAME文件，如果不存在这个文件则进行创建，如果存在则执行截断操作，并赋予对应的权限。如果fd < 0 代表错误，输出对应的错误信息并退出。如果成功，关闭1号文件描述符，使用dup()函数复制fd。

函数讲解

dup定义如下:
dup()函数是复制一个文件描述符
在这里插入图片描述

int dup(int oldfd);
int oldfd:一个文件描述符fd

dup()系统调用创建文件描述符oldfd的副本，为新的描述符使用编号最低的未使用文件描述符。
在这里插入图片描述
dup()函数如果操作成功，会返回一个新的文件描述符，如果出错返回-1，并设置errno。
注意：dup()函数的操作不原子
何谓原子性操作，即为最小的操作单元，比如i=1，就是一个原子性操作，这个过程只涉及一个赋值操作。 又如i++就不是一个原子操作，它相当于语句i=i+1；这里包括读取i，i+1，结果写入内存三个操作单元。 因此如果操作不符合原子性操作，那么整个语句的执行就会出现混乱，导致出现错误的结果，从而导致线程安全问题。

编译 运行？

在这里插入图片描述
由于dup()操作不原子，会导致线程安全问题，接下来会介绍一个具有原子性操作的函数dup2()

代码示例
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "iostream"
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include "string.h"
#include "errno.h"
#include "unistd.h"

using namespace std;

#define FNAME "out"

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd = -1;
    fd = open(FNAME, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0600);
    if (fd < 0)
    {
        fprintf(stderr, "open() %s\n", strerror(errno));
        exit(1);
    }
    dup2(fd,1);
    if (fd != 1)
    {
        close(fd);
    }
    printf("hello world\n");
    exit(0);
}
函数讲解

dup2()函数：
dup2()函数可以避免关闭文件描述符后被其他线程抢占
在这里插入图片描述

int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2()和dup()函数一样，同样都是复制文件描述符，但它不使用编号最低的未使用文件描述符，它使用newfd中指定的文件描述符编号。
dup()函数在使用是，是返回的编号最低的未使用的文件描述符，这个文件描述符极可能会被其他文件占用，而dup2()函数就恰好解决了这个问题。
同样，dup2()函数成功会返回新的文件描述符，如果失败则返回-1，并设置errno。

编译 运行

在这里插入图片描述

同步

sync 设备即将解除挂载时进行全局催促，将buffer cache的数据刷新
fsync 刷新文件的数据
fdatasync 刷新文件的数据部分，不修改文件元数据

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