Linux系統(tǒng)編程中的文件描述符調用

文件描述符

進程每打開一個文件的時候，會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，默認情況下，上限值為1024，也就是說，進程默認情況下最多可以打開1024個文件。負數(shù)是不合法的文件描述符，當函數(shù)調用出錯時，返回的文件描述符為-1。

每個進程都至少包含三個文件描述符：

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。包括設備文件、管道、先進先出緩沖區(qū)、套接字等。

open()系統(tǒng)調用

對文件進行讀寫之前，必須先打開文件。Linux提供了系統(tǒng)調用open()。open()有兩個函數(shù)原型：

兩個函數(shù)均可用來打開文件，第二個函數(shù)比第一個多了參數(shù)mode，mode指定文件的權限---當創(chuàng)建新文件的時候才需要。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行按位或運算，修改打開文件的行為：

舉個例子，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)建的文件訪問權限，參數(shù)mode的取值如下：

實際上最終寫入磁盤的文件訪問權限是由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。舉個例子：

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

ls -l TEST.txt

-rwxrwxr-x 1 huanzhewu huanzhewu 0 8月 30 21:29 TEST.txt【權限為0775】

查看當前的掩碼：

$ umask

0002

可以發(fā)現(xiàn) 0775 = 0777 ^ (~0002) ，所以0775才是最后的文件訪問權限。umask是進程級屬性，通過調用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限。

總結起來可以得到這樣一條公式：

newmode = mode ^ (~ umask)

總結一下：至此，我們了解了文件打開所提供的兩個系統(tǒng)調用函數(shù)open()，了解了打開文件的方式、新建文件的訪問權限設置。如果文件打開成功，那么將返回一個文件描述符，這是一個非零整數(shù)（因為0,1,2是進行已經(jīng)擁有的文件描述符），否則函數(shù)將返回-1

creat()系統(tǒng)調用

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

由于選項O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC組合經(jīng)常使用，因而系統(tǒng)調用專門使用creat函數(shù)來提供這個功能。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)調用

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

fd 為文件描述符。每次調用read函數(shù)時，會從fd指向的文件的當前偏移（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的文件位置指針會向前移動。關于read的讀取，會出現(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，read被信號中斷了

我們一一來看：

問題1屬于“沒有數(shù)據(jù)可讀”，此時read調用會阻塞，直到有數(shù)據(jù)可讀；

問題2屬于到達數(shù)據(jù)結尾（EOF），此時read調用返回0；

問題三，read調用返回大于0小于count的值；如果在讀取任何數(shù)據(jù)之前被信號中斷，則返回-1，同時把errno設置為EINTR。

再來看看問題1，當文件沒有數(shù)據(jù)可以讀時（一開始就沒有），read調用會被阻塞，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_NONBLOCK模式打開，則文件為非阻塞模式，當文件沒有數(shù)據(jù)可以讀時，read系統(tǒng)調用返回-1，并把errno設置為EAGAIN。

除了errno被設置為EINTR與EAGAIN，其他情況下都是出現(xiàn)嚴重的文件讀取錯誤，重新執(zhí)行讀操作不會成功。

write() 系統(tǒng)調用

write的函數(shù)原型為：

write的返回值比較簡單：

寫入失敗返回-1 ，同時設置errno的值

寫入成功返回成功寫入的字節(jié)數(shù)。

返回0時沒有特殊含義，僅表示寫入了0個字節(jié)的內(nèi)容。

對于普通文件，write基本能保證每次執(zhí)行調用能夠寫入全部的內(nèi)容。對于其他文件如socket，需要進行循環(huán)寫，保證所有的字節(jié)都寫入了文件中：

同樣的，當以非阻塞的模式打開文件時（O_NONBLOCK），系統(tǒng)調用write()會返回-1，并把errno設置為EAGAIN。

系統(tǒng)調用write()時，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)核設置了一個時間，在該時間內(nèi)將內(nèi)核空間緩沖區(qū)上的數(shù)據(jù)寫入磁盤，該時間稱為"最大存放時效"。Linux系統(tǒng)也支持強制文件立即寫入磁盤上，這在后面介紹。

close()系統(tǒng)調用

程序完成文件的讀寫后，調用close函數(shù)關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);

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

總結:本文簡單介紹了文件的打開、創(chuàng)建、讀寫、關閉操作，介紹了一些常用的open參數(shù)選項，creat與open的等價性，循環(huán)讀、循環(huán)寫的必要性，也關注了各個系統(tǒng)調用的返回值含義，了解如何設置非阻塞讀寫，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。

責任編輯：haq