系统级I/O

文件

所有的 I/O 设备（例如网络、磁盘和终端）都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当作对相应文件的读和写来执行。这种将设备优雅地映射为文件的方式，允许 Linux 内核引出一个简单、低级的应用接口，称为 Unix I/O

Linux 文件有主要有三种类型：

• 普通文件
• 目录
• 网络socket(套接字)

当然还有命名通道（named pipe）、 符号链接（symbolic link），以及字符和块设备（character and block device）等类型先不予讨论。

改变当前的文件位置。对于每个打开的文件，内核保持着一个文件位置 k，初始为 0。这个文件位置是从文件开头起始的字节偏移量。应用程序能够通过执行 seek 操作，显式地设置文件的当前位置为 k。

对于这种行为，对于普通文件是有效的，对于如socket、目录等类型文件无效。

当我们调用open函数两次打开同一个普通文件foo.txt，那么这两次打开均会从文件起始位置开始，然后记录file_offset, read和write的读写操作均会改变file_offset。

且两次open返回的是不同的文件描述符。有点像CSAPP书上下图：

关于文件描述符，文件表，v-node表在fork后，重定向后如何均有提及。

RIO

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);
// 返回：若成功则为读的字节数，若 EOF 则为0，若出错为 -1。

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);
// 返回：若成功则为写的字节数，若出错则为 -1。

在 x86-64 系统中，size_t 被定义为 unsigned long，而 ssize_t（有符号的大小）被定义为 long。
read 函数返回一个有符号的大小，而不是一个无符号大小，这是因为出错时它必须返回 -1。

RIO（Robust I/O，健壮的 I/O）包，其实现的思路和目的为：

• 处理不足值：在某些情况下，read 和 write 传送的字节比应用程序要求的要少。这些不足值（short count）不表示有错误。出现这样情况的原因有：

  • 读时遇到 EOF。这个时候说明确实没有内容可以读了，直接返回。
  • 从终端读文本行。这个时候每个 read 函数将一次传送一个文本行。
  • 读和写网络套接字（socket）。那么内部缓冲约束和较长的网络延迟会引起 read 和 write 返回不足值。这个时候必须通过反复调用 read 和 write 处理不足值，直到所有需要的字节都传送完毕。

• 实现无缓冲的输入输出函数：rio_readn和rio_writen。这些函数直接在内存和文件之间传送数据，没有应用级缓冲。它们对将二进制数据读写到网络和从网络读写二进制数据尤其有用。

ssize_t rio_readn(int fd, void *usrbuf, size_t n);
ssize_t rio_writen(int fd, void *usrbuf, size_t n);
// 返回：若成功则为传送的字节数，若 EOF 则为 0(只对 rio_readn 而言)，若出错则为 -1。

• 实现带缓冲的输入函数。这些函数允许你高效地从文件中读取文本行和二进制数据。

#define RIO_BUFSIZE 8192
typedef struct {
    int rio_fd;                /* Descriptor for this internal buf */
    int rio_cnt;               /* Unread bytes in internal buf */
    char *rio_bufptr;          /* Next unread byte in internal buf */
    char rio_buf[RIO_BUFSIZE]; /* Internal buffer */
} rio_t;
//初始化rp指针
void rio_readinitb(rio_t *rp, int fd);
// 返回：无。

//对于文本数据，rio_readlineb，它从一个内部读缓冲区复制一个文本行，当缓冲区变空时，会自动地调用 read 重新填满缓冲区。
ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen);
//对于既包含文本行也包含二进制数据的文件，提供了一个 rio_readn 带缓冲区的版本，叫做 rio_readnb，它从和 rio_readlineb 一样的读缓冲区中传送原始字节。
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n);
// 返回：若成功则为读的字节数，若 EOF 则为 0，若出错则为 -1。

手动实现一下

标准I/O

C 语言定义了一组高级输入输出函数，称为标准 I/O 库，为程序员提供了 Unix I/O 的较高级别的替代。

标准 I/O 库将一个打开的文件模型化为一个流。对于程序员而言，一个流就是一个指向 FILE 类型的结构的指针。

类型为 FILE 的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象。流缓冲区的目的和 RIO 读缓冲区的一样：就是使开销较高的 Linux I/O 系统调用的数量尽可能得小。

#include <stdio.h>
extern FILE *stdin;    /* Standard input (descriptor 0) */
extern FILE *stdout;   /* Standard output (descriptor 1) */
extern FILE *stderr;   /* Standard error (descriptor 2) */

• G1：只要有可能就使用标准 I/O。

• G2：不要使用 scanf 或 rio_readlineb 来读二进制文件。
  因为scanf和rio_readlineb中均有通过换行符或终止符来判断是否需要'截断'的操作，二进制文件可能散布着很多 Oxa 字节，而这些字节又与终止文本行无关。

• G3：对网络套接字的 I/O 使用 RIO 函数，而不要使用标准I/O。
  具体理由和标准I/O内部实现有关，比如标准I/O需要使用 Unix I/O lseek 函数来重置当前的文件位置，但是socket没有文件位置这个概念。