UNIX中大部分文件I/O只需用5个函数：open， read， write， lseek， close
不带缓冲：每个read和write都调用内核中的一个系统调用。不属于ISO C， 但是是POSIX.1和Single UNIX Specification的组成部分
多进程间共享文件：
原子操作很重要
dup, fcntl, sync, fsync, ioctl函数
3.2文件描述符
对于内核而言，所有打开文件都通过文件描述符引用。打开或创建文件时，内核返回给进程一个文件描述符。
3.3 open
#include <fcntl.h>
#... ISO C用...来表示之后的参数数量与类型可变
int open(cosnt char *path, int oflag, ...);
#oflag:
# O_RDONLY 只读打开。
# O_WRONLY 只写打开。
# O_RDWR 读、写打开。
# O_EXEC 只执行打开。
# O_SEARCH 只搜索打开（应用于目录）。
int openat (int fd, const char *path, int oflag, ... /* mode_t mode * / );
#作用是：
如果path是绝对路径，fd可忽略
如果path是相对路径，fd指明起始目录
如果path是绝对路径，fd是常量AT_FDCWD,则为当前目录为起始目录
可选常量参数很多比如：O_APPEND（追加）, O_CLOEXEC， O_NOFOLLOW, O_NONBLOCK, SYNC等等， 但是注意，不同的UNIX系统可支持的可选常量参数有所差异，需要时查阅
文件名和截断 如果文件NAME_MAX = 14，超过14则会截断还是报错是可选的，可通过常量_POSIX_NO_TRUNC决定
文件状态标志 ![[Pasted image 20250313094604.png]]
3.4 create
注意此函数等效于 
tips:因为早期UNIX的第二个参数不能创建文件，只能打开已有文件，所以需要create，现在已经不需要了，用open即可
3.5 close
关闭一个文件会释放进程加在该文件上的所有记录锁
程序终止，内核自动关闭所有它打开的文件，所以可以不显示调用close
3.6 lseek
lseek显式地为一个打开文件设置偏移量 
tips：该函数可以用来确定是否是可偏移量设置文件，如果是一个管道，FIFO或者网络套接字，则lseek返回-1，并将errno设置为ESPIPE
tips：
3.7 read
ssize_t：带符号的整形，可以表示错误情况(-1) size_t: 不带符号的整形,不可表示错误情况(非负)
read的不同操作对象的差异
读普通文件时，在读到要求字节数之前已到达了文件尾端。例如，若在到达文件尾端之前有30个字节，而要求读100个字节，则read返回30。下一次再调用read 时，它将返回 0（文件尾端）。
从终端设备（stdin）读，通常一次最多读一行，因为终端设备的输入通常是行缓冲
从网络读，网络的缓冲机制可能造成返回值小于所要求读的字节数
当从管道或 FIFO 读时，如若管道包含的字节少于所需的数量，那么 read 将只返回实际可用的字节数。
当从某些==面向记录==的设备（如磁带）读时，一次最多返回一个记录。(上述的其他情况面向字节流)
tips:读操作从文件的当前偏移量处开始，在成功返回之前，该偏移量将增加实际读到的字节数。
3.8 write
对于普通文件，写操作从文件的当前偏移量处开始。如果在打开该文件时，指定了 O_APPEND 选项，则在每次写操作之前，将文件偏移量设置在文件的当前结尾处。在一次成功写之后，该文件偏移量增加实际写的字节数。
3.9 IO性能效率
通过测试不同buf size时读写速度发现，buf size不是越大越好
read ahead 技术：预读技术，当检测到正进行顺序读取时，系统就试图读入比应用所要求的更多数据。
3.10 文件共享
打开文件的内核数据结构：
![[Pasted image 20250312211428.png]] 内核使用三种数据结构表示打开文件：如上图
进程表中的打开文件描述符表
内核为所有打开文件维持一张文件表
每个打开文件都有一个v节点结构
如果两个进程各种打开了同一文件： ![[Pasted image 20250312212017.png]] tips：之所以每个进程都有自己的文件表项，是因为每个进程都有自己对该文件的当前偏移量。
3.11 原子操作
指的是多步组成的一个操作。如果该操作原子地执行，则要么执行完所有步骤，要么一步不执行，不可能只执行一个子集
场景：早期的追加文件实现：没有append选项 ![[Pasted image 20250312212938.png]] 这样的问题是：多个进程同时读写时会乱套
什么叫原子操作？ 任何要求多于一个函数调用的操作都不是原子操作。因为在两个函数调用之间，内核有可能会临时挂起进程 **tips：当一个进程在执行系统调用或用户态函数时，内核不会主动挂起该进程 除非函数内部自己阻塞或者等待资源（比如锁）时会被动挂起
2.pread与pwrite
![[Pasted image 20250312213656.png]] 调用pread相当于调用lseek后调用read，但是：
调用pread时，无法中断其定位和读操作
不更新当前文件偏移量
3.12 函数dup和dup2
![[Pasted image 20250312215404.png]] dup返回当前可用的最小文件描述符，dup2返回值可自选fd2，如果fd2已经打开，则先关闭。 这些函数返回的新文件描述符与参数fd共享同一个文件表项 ![[Pasted image 20250312215601.png]] tips：新描述符的执行时关闭（close on exec）标志总是由duo函数清除。
tips：复制一个描述符的另一种方法是使用fcntl函数
![[Pasted image 20250312215851.png]]
3.13 函数sync fsync fdatasync
延迟写：传统的unix系统实现在内核中设有缓冲区高速缓存或页高速缓存，大多数磁盘IO都通过缓冲区进行。通常，当内核需要重用缓冲区来存放其他磁盘块数据时，它会把所有延迟写数据块写入磁盘。 为了保证磁盘上实际文件系统与缓冲区中内容的一致性，UNIX 系统提供了sync、fsync 和 fdatasync三个函数。
![[Pasted image 20250312220328.png]]
sync：将修改过的块缓冲区排入写队列，然后就返回，并不等待实际写磁盘操作结束
称为==update==的函数周期性调用（一般30s）sync函数，保证定期flush内核块缓冲区
fsync只对文件描述符fd指定文件起作用，并且等待磁盘操作结束才返回
fdatasync函数类似于fsync，只影响文件数据部分。但是fsync除此之外还会同步更新文件的属性
3.14 函数fcntl
![[Pasted image 20250312220905.png]]
fcntl函数有五功能：(这里的第三个参数都是整数)
复制一个已有的描述符(cmd = F_DUPFD Ek F_DUPFD_CLOEXEC).
获取/设置文件描述符标志（cmd= F_GETFD或F_SETFD）。
获取/设置文件状态标志（cmd = F_GETFL 或F_SETFL）。
获取/设置异步I/O所有权（cmd=F_GETOWN或 F_SETOWN）。
获取/设置记录锁（cmd=F_GETLK、F_SETLK 或E_SETLKN）。
tips: fcntl还有三种cmd是与记录锁相关的，第三个参数是指向一个结构的指针，14.3节将描述
3.15 函数ioctl
IO操作的”杂物箱“。不能用本章中其他函数表示的IO操作通常都能用ioctl表示
tips： 在此原型中，我们表示的只是ioct1函数本身所要求的头文件。通常，还要求另外的设备专用头文件。例如，除POSIX.1所说明的基本操作之外，终端1/O的ioctl命令都需要头文件<termios.h>
每个设备驱动程序可以定义它自己专用的一组ioctl 命令，系统则为不同种类的设备提供通用的 ioctl 命令。图3-15中总结了 FreeBSD 支持的通用ioct1命令的一些类别。
3.16 /dev/fd
/dev/fd目录：目录内的目录项是0,1,2...n等的文件，打开/dev/fd/n等效于==复制描述符n==(dup(n)),返回的fd与源目录项共享一个文件
tips:大多数系统忽略这里指定的mode，但是有些系统要求mod必须是所引用文件初始打开时所使用的打开模式的一个子集。例如，这里的/dev/fd/0默认为只读模式，那么mode就算是O_RDWR，也只能读，不能写
tips2： 
我们也可以用/dev/fd 作为路径名参数调用creat，这与调用open时用 O_CREAT作为第 2 个参数作用相同。例如，若一个程序调用creat，并且路径名参数是/dev/fd/1，那么该程序仍能工作。
tips3: 