Linux系統(tǒng)編程中的文件描述符調(diào)用

文件描述符

進(jìn)程每打開一個(gè)文件的時(shí)候，會(huì)獲得該文件的文件描述符，而后續(xù)的讀寫操作都把文件描述符作為參數(shù)。在用戶空間或者內(nèi)核空間，都是通過文件描述符來唯一地索引一個(gè)打開的文件。文件描述符使用int類型表示，文件描述符的范圍從0開始，到上限值-1，默認(rèn)情況下，上限值為1024，也就是說，進(jìn)程默認(rèn)情況下最多可以打開1024個(gè)文件。負(fù)數(shù)是不合法的文件描述符，當(dāng)函數(shù)調(diào)用出錯(cuò)時(shí)，返回的文件描述符為-1。

每個(gè)進(jìn)程都至少包含三個(gè)文件描述符：

遵循Linux一切皆文件的概念，文件描述符除了訪問普通文件外，幾乎能夠訪問任何能夠讀寫的東西。包括設(shè)備文件、管道、先進(jìn)先出緩沖區(qū)、套接字等。

open()系統(tǒng)調(diào)用

對(duì)文件進(jìn)行讀寫之前，必須先打開文件。Linux提供了系統(tǒng)調(diào)用open()。open()有兩個(gè)函數(shù)原型：

兩個(gè)函數(shù)均可用來打開文件，第二個(gè)函數(shù)比第一個(gè)多了參數(shù)mode，mode指定文件的權(quán)限---當(dāng)創(chuàng)建新文件的時(shí)候才需要。如果文件打開成功，則返回文件描述符，指向pathname所指定的文件。flags參數(shù)用于指定打開的方式，它支持三種訪問模式：

flags參數(shù)還可以與下面的值進(jìn)行按位或運(yùn)算，修改打開文件的行為：

舉個(gè)例子，下面的句子表示：以寫的方式打開文件，如果文件不存在，則創(chuàng)建新的文件，并且文件的內(nèi)容為空：

int fd ;

fd = open("file.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC，0644);

這里的0644指定了新創(chuàng)建的文件訪問權(quán)限，參數(shù)mode的取值如下：

實(shí)際上最終寫入磁盤的文件訪問權(quán)限是由mode參數(shù)和用戶的文件創(chuàng)建掩碼（umask）執(zhí)行按位與操作得到的。舉個(gè)例子：

按理來說，創(chuàng)建出來的文件的訪問權(quán)限應(yīng)該是-rwxrwxrwx，而查看后發(fā)現(xiàn)其實(shí)不是：

ls -l TEST.txt

-rwxrwxr-x 1 huanzhewu huanzhewu 0 8月 30 21:29 TEST.txt【權(quán)限為0775】

查看當(dāng)前的掩碼：

$ umask

0002

可以發(fā)現(xiàn) 0775 = 0777 ^ (~0002) ，所以0775才是最后的文件訪問權(quán)限。umask是進(jìn)程級(jí)屬性，通過調(diào)用umask()函數(shù)來修改，支持用戶修改新創(chuàng)建的文件和目錄的權(quán)限。

總結(jié)起來可以得到這樣一條公式：

newmode = mode ^ (~ umask)

總結(jié)一下：至此，我們了解了文件打開所提供的兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)open()，了解了打開文件的方式、新建文件的訪問權(quán)限設(shè)置。如果文件打開成功，那么將返回一個(gè)文件描述符，這是一個(gè)非零整數(shù)（因?yàn)?,1,2是進(jìn)行已經(jīng)擁有的文件描述符），否則函數(shù)將返回-1

creat()系統(tǒng)調(diào)用

顧名思義，creat函數(shù)用來創(chuàng)建一個(gè)文件，不過我們可能產(chǎn)生疑問：前面的open函數(shù)使用一些選項(xiàng)后，不是也可以創(chuàng)建新文件嗎？沒錯(cuò)，creat函數(shù)完全等價(jià)與下面的open語句：

由于選項(xiàng)O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC組合經(jīng)常使用，因而系統(tǒng)調(diào)用專門使用creat函數(shù)來提供這個(gè)功能。creat函數(shù)的原型如下：

其中參數(shù)的描述與open的參數(shù)一致，這里不再贅述。

read()系統(tǒng)調(diào)用

文件打開后，就能夠讀文件了。read（）是最基礎(chǔ)、最常見的讀取文件的機(jī)制。read的函數(shù)原型為：

fd 為文件描述符。每次調(diào)用read函數(shù)時(shí)，會(huì)從fd指向的文件的當(dāng)前偏移（或稱文件位置）開始讀取count字節(jié)到buf所指的的內(nèi)存中。隨著文件的讀取，fd的文件位置指針會(huì)向前移動(dòng)。關(guān)于read的讀取，會(huì)出現(xiàn)很多需要思考的問題：

問題一：如果文件長度為0

問題二：如果文件長度不夠count長度

問題三：如果讀取時(shí)，read被信號(hào)中斷了

我們一一來看：

問題1屬于“沒有數(shù)據(jù)可讀”，此時(shí)read調(diào)用會(huì)阻塞，直到有數(shù)據(jù)可讀；

問題2屬于到達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)尾（EOF），此時(shí)read調(diào)用返回0；

問題三，read調(diào)用返回大于0小于count的值；如果在讀取任何數(shù)據(jù)之前被信號(hào)中斷，則返回-1，同時(shí)把errno設(shè)置為EINTR。

再來看看問題1，當(dāng)文件沒有數(shù)據(jù)可以讀時(shí)（一開始就沒有），read調(diào)用會(huì)被阻塞，直到文件有數(shù)據(jù)可以讀，這是一種阻塞I/O。如果文件以O(shè)_NONBLOCK模式打開，則文件為非阻塞模式，當(dāng)文件沒有數(shù)據(jù)可以讀時(shí)，read系統(tǒng)調(diào)用返回-1，并把errno設(shè)置為EAGAIN。

除了errno被設(shè)置為EINTR與EAGAIN，其他情況下都是出現(xiàn)嚴(yán)重的文件讀取錯(cuò)誤，重新執(zhí)行讀操作不會(huì)成功。

write() 系統(tǒng)調(diào)用

write的函數(shù)原型為：

write的返回值比較簡單：

寫入失敗返回-1 ，同時(shí)設(shè)置errno的值

寫入成功返回成功寫入的字節(jié)數(shù)。

返回0時(shí)沒有特殊含義，僅表示寫入了0個(gè)字節(jié)的內(nèi)容。

對(duì)于普通文件，write基本能保證每次執(zhí)行調(diào)用能夠?qū)懭肴康膬?nèi)容。對(duì)于其他文件如socket，需要進(jìn)行循環(huán)寫，保證所有的字節(jié)都寫入了文件中：

同樣的，當(dāng)以非阻塞的模式打開文件時(shí)（O_NONBLOCK），系統(tǒng)調(diào)用write()會(huì)返回-1，并把errno設(shè)置為EAGAIN。

系統(tǒng)調(diào)用write()時(shí)，數(shù)據(jù)從用戶空間的緩沖區(qū)中拷貝到了內(nèi)核空間的緩沖區(qū)，但并沒有立即把數(shù)據(jù)寫入磁盤中，這稱為延遲寫。延遲寫的問題在于，如果在數(shù)據(jù)真正寫入磁盤之前系統(tǒng)崩潰了，則數(shù)據(jù)可能丟失。內(nèi)核設(shè)置了一個(gè)時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)將內(nèi)核空間緩沖區(qū)上的數(shù)據(jù)寫入磁盤，該時(shí)間稱為"最大存放時(shí)效"。Linux系統(tǒng)也支持強(qiáng)制文件立即寫入磁盤上，這在后面介紹。

close()系統(tǒng)調(diào)用

程序完成文件的讀寫后，調(diào)用close函數(shù)關(guān)閉文件描述符與文件之間的連接，使得文件描述符可以被重用。close的函數(shù)原型為：

#incldue

int close(int fd);

文件關(guān)閉成功返回0，出錯(cuò)返回-1，并設(shè)置相應(yīng)的errno。文件成功關(guān)閉并不以為著該文件的數(shù)據(jù)已經(jīng)被寫入磁盤。

總結(jié):本文簡單介紹了文件的打開、創(chuàng)建、讀寫、關(guān)閉操作，介紹了一些常用的open參數(shù)選項(xiàng)，creat與open的等價(jià)性，循環(huán)讀、循環(huán)寫的必要性，也關(guān)注了各個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的返回值含義，了解如何設(shè)置非阻塞讀寫，并簡單提到了延遲寫的問題，在后續(xù)的文件中將介紹同步I/O的內(nèi)容。

責(zé)任編輯：haq