unix文件和i/o流

来源：互联网发布：php 获取请求url 编辑：程序博客网时间：2024/06/05 09:41

1. 关于unix文件结构

在unix/linux文件系统中，一切皆是文件，目录是文件，设备是文件，文件是文件......文件需要有文件的各项属性，在unix中，可以使用stat函数族来获取文件属性。使用stat函数获取的节点文件存储在struct stat *buf指向的内存中。

     #include <sys/stat.h>
     
     int
     fstat(int fildes, struct stat *buf);
     int
     lstat(const char *restrict path, struct stat *restrict buf);
     int
     stat(const char *restrict path, struct stat *restrict buf);
     int
     fstatat(int fd, const char *path, struct stat *buf, int flag);

     struct stat { /* when _DARWIN_FEATURE_64_BIT_INODE is NOT defined */
         dev_t    st_dev;    /* device inode resides on */
         ino_t    st_ino;    /* inode's number */
         mode_t   st_mode;   /* inode protection mode */
         nlink_t  st_nlink;  /* number of hard links to the file */
         uid_t    st_uid;    /* user-id of owner */
         gid_t    st_gid;    /* group-id of owner */
         dev_t    st_rdev;   /* device type, for special file inode */
         struct timespec st_atimespec;  /* time of last access */
         struct timespec st_mtimespec;  /* time of last data modification */
         struct timespec st_ctimespec;  /* time of last file status change */
         off_t    st_size;   /* file size, in bytes */
         quad_t   st_blocks; /* blocks allocated for file */
         u_long   st_blksize;/* optimal file sys I/O ops blocksize */
         u_long   st_flags;  /* user defined flags for file */
         u_long   st_gen;    /* file generation number */
     };

这里需要简单介绍以下几个struct stat元素和相关函数，实际使用时可以使用man查看具体使用方法，为了节约时间和保持思维连贯性，在此不做赘述。

a. st_mode

表示文件类型和访问权限

umask 设置创建文件时默认的permission

chmod

fchmod

chown

fchown

lchown

b. st_ino

st_ino表示一个inode节点号，在unix/linux系统中，我们为每一个文件分配一个inode指针，这个inode指针指向文件存储的一组内存块blocks，如果一个block是4k，而我们文件中存了7k的文件，那么操作系统就会给这个文件分配2个block和一个inode，inode就是这两个block的索引。

c. st_nlink

关于链接计数需要具体分文件和目录来讨论。对于文件来说，st_nlink表示指向该文件inode的目录项数，也可以称之为硬链接数(hard link)，这意味着什么呢？假设我在/usr/bin/目录下有一个文件f_nlink，f_nlink的inode号是1553，这个时候/usr/bin目录项中必然有一条目录项是(1553，f_nlink)，此时f_nlink的st_nlink就是1；如果使用ln命令给f_nlink创建一个硬链接到/usr/目录下，则在/usr/目录中也必然有一条目录项是(1553，f_link)，/usr/和/usr/bin/都有目录想指向1553这个inode，此时f_nlink的st_nlink是2（硬链接数是2）；此时如果在/usr/bin/目录下删除f_nlink（使用unlink或者rm），则f_nlink的链接数减少1，但是inode仍然存在，且从/usr/目录下也可以访问f_nlink文件，只有当链接数减为0时才会删除f_nlink的inode，彻底删除文件释放内存。这里又需要扩展开来聊聊软链接了，对于软连接来说，如果本体被删除，则副本就不能访问本体。

对于目录来说，一个目录项下有几个文件或者子目录，则链接数就是几（包括.和..）。

硬链接有两个限制：（1）不允许给目录创建硬链接，防止产生环路，遍历目录时陷入死循环；（2）只有在同一个文件系统中的文件之间才能创建硬链接，这也很好理解，只有在同一个文件系统中才能访问inode

2. 关于unix文件i/o流

在unix系统调用层面我们使用read和write来读写文件。

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
参数：
fd: 将要读取的数据的文件描述符
buf: 所要读到数据的内存缓冲的缓冲区指针
nbytes: 读取的数据大小
返回值：
返回读取的数据大小，如果读到文件末尾则返回0；读取失败返回-1。
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
返回值: 
写入文件成功则返回写的字节数；失败返回-1。

当频繁的使用read和write系统调用读写文件，进程就需要不断的在内核态和用户态之间转换，系统开销太大；因此流(stream)就出现了，流的结构FILE了几个部分：文件描述符fd，指向该流缓冲区指针，缓冲区大小，当前缓冲区中的字符数，出错标志等。我们通常使用文件指针FILE*来表示流，个人认为FILE*的使用是对文件系统调用函数的又一层封装。总结几个有关流的unix函数如下：

a. 打开流

     #include <stdio.h>
     FILE *
     fdopen(int fildes, const char *mode);
     FILE *
     fopen(const char *restrict filename, const char *restrict mode);
     FILE *
     freopen(const char *restrict filename, const char *restrict mode,
         FILE *restrict stream);

b. 关闭流

     #include <stdio.h>
     int
     fclose(FILE *stream);
     void
     fcloseall(void);

c. 读写流

读写流也分几种方法：

无缓冲，即每次只读或者写一个字符的i/o流。

     #include <stdio.h>
     int
     fgetc(FILE *stream);
     int
     getc(FILE *stream);
     int
     getc_unlocked(FILE *stream);
     int
     getchar(void);
     int
     getchar_unlocked(void);
     int
     getw(FILE *stream);

     #include <stdio.h>
     int
     fputc(int c, FILE *stream);
     int
     putc(int c, FILE *stream);
     int
     putc_unlocked(int c, FILE *stream);
     int
     putchar(int c);
     int
     putchar_unlocked(int c);
     int
     putw(int w, FILE *stream);

行缓冲，即每次读或者写一行字符的i/o流，每行以一个换行符\r终止。

     #include <stdio.h>
     char *
     fgets(char * restrict str, int size, FILE * restrict stream);
     char *
     gets(char *str);

     #include <stdio.h>
     int
     fputs(const char *restrict s, FILE *restrict stream);
     int
     puts(const char *s);

全缓冲，也称直接i/o，每次i/o操作读或者写某个数量的对象。

     #include <stdio.h>
     size_t
     fread(void *restrict ptr, size_t size, size_t nitems,
         FILE *restrict stream);
     size_t
     fwrite(const void *restrict ptr, size_t size, size_t nitems,
         FILE *restrict stream);

与文件描述符0，1，2分别指标准输入，标准输出，标准错误文件相对，流也有stdin，stdout，stderr

3. 进程与文件

在一个进程中打开文件，则进程表项中有一个分配一个对应的文件描述符fd和其指针映射；指针指向一个文件表，每当打开一个文件就会分配一个文件表，文件表中存储了文件状态标志（只读，只写，可读可写），当前文件偏移量，v节点指针；v节点指针指向v节点信息，v节点又包含了inode。

a. 使用dup/dup2可以复制fd或者改变fd，这样可以创造进程表中两个fd指向同一个打开文件的情况；

b. 可以打开一个文件两次，则有两个进程表项中分别有fd指向文件表，每个文件表都有其自己的文件偏移量，涉及到同步问题；

c. 一个进程表中，两个fd分别指向不同的文件。

0 0