I/O (输入/输出) 是主存和外部设备(包括磁盘驱动、终端、网络以及其他设备)之间传递数据的过程。输入操作是从外部设备传递数据到主存,而输出操作是从主存传递数据到外部设备。

所有的程序语言在实现的时候,都提供了更高层级的输入输出函数。譬如ANSI C提供了标准的I/O库,可以使用printf、scanf这样带有缓冲区的I/O函数,C++提供了<<和>>重载操作符来实现类似的功能,Python中有功能完备的print函数,Java中使用System.in/out类等等。在一般情形下,这些高层及的I/O函数可以良好地工作,没有必要直接使用Unix I/O。

然而,Unix I/O可以让人更好地理解系统里的概念。例如I/O在进程创建的时候发挥了重要的角色,反过来,进城创建又在不同进程间的文件共享中扮演了重要的角色。此外,有些时候Unix I/O可以完成高层I/O所无法完成的任务,例如标准I/O库没有提供读取文件元数据的方式,比如文件大小或者文件创建时间。所以,一定程度上了解Unix I/O是非常有必要的。

Unix I/O Unix系统IO

Unix 文件

  • Unix文件是字节的序列。譬如,当一个文件大小为m字节的时候,它就是从B0到Bm-1的序列。

  • 所有的I/O设备,都被表示为文件。

    • /dev/sda2
    • /dev/tty2
  • 甚至内核也表示为文件

    • /dev/kmem
    • /proc

Unix 文件类型

Unix文件有以下几种基本类型。

  1. 一般文件
  2. 目录文件
  3. 字符设备文件和块设备文件
  4. 符号链接文件
  5. 管道文件(FIFO)
  6. Socket

Unix I/O

设计原理:把所有的设备映射成文件,可以让系统内核使用简单的Unix I/O来管理所有设备。所有的输入和输出的设计,都是一致的。

基本 Unix I/O 操作采用系统调用的形式完成,包括以下几类:

  1. 打开、关闭文件 open() close()
  2. 读取、写入文件 read() write()
  3. 改变当前文件指针的位置 lseek()

打开文件

使用open函数来打开文件

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int fd; /*file descriptor*/
if ((fd = open("/etc/hosts", O_RDONLY)) < 0>) {
perror("open");
exit(1);
}

返回值是一个叫做文件描述符的int类型,当返回的描述符大于等于0的时候,就是对应的文件描述符,如果等于-1则说明文件打开失败。
有几个特殊的文件描述符是系统所固定的:

  • 0:标准输入
  • 1:标准输出
  • 2:标准错误

O_RDONLY 是 oflag,还有其他的标识符,包括O_WRONLY和O_RDWR,分别是只写和读写方式。

关闭文件

关闭文件会告知系统内核,本进程已经不再使用这个文件了。
样例代码:

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int fd; /* file descriptor */
int retval; /* return value */
if ((retval = close(fd)) < 0) {
perror("close");
exit(1);
}

内核会释放文件打开时,所维护的数据结构,然后把文件描述符恢复到可用的描述符池中。如果没有调用close,进程就因为某种原因终止,那么内核也会关闭它打开的所有文件,并且释放它们的存储器资源。虚拟目录/proc/self/fd 记录了当前进程所打开的文件描述符。