Linux文件I/O(creat/open/read/write/lseek/close/dup/sync)

先來提一下文件標識符的概念，對內核而言，所有打開的文件都通過文件描述符引用。文件描述符是一個非負整數，打開或創建一個文件的時候，內核向進程返回它的描述符。我們要進行讀寫操作的時候，把這個描述符傳給read和write即可對文件內容進行操作。
按照慣例，UNIX系統shell把文件描述符0與進程的標準輸入關聯，1和標準輸出關聯，2和標準錯誤關聯。在unistd.h中有相關的STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、STDERR_FILENO宏定義。文件描述符的變化範圍是0~OPEN_MAX-1。

open函數：

int open(const char *path, int oflag, ... /* mode_t mode */);
int openat(int fd, const char *path, int oflag, ... /* mode_t mode */);

兩函數的返回值都是打開的文件描述符，如果打開失敗，返回-1。

path：文件名稱
oflag：選項
- - - 必選：
- O_RDONLY：只讀打開；
- O_WRONLY：只寫打開；
- O_RDWR：讀寫打開；
- O_EXEC：執行打開；
- O_SEARCH：搜索打開。
- - - 可選：
- O_APPEND：追加寫入，每次寫入的時候偏移量都會固定在最尾端，lseek和write組成了原子操作，每次寫入的時候都調用一次（所以lseek不管用了），而不是之前想的打開後lseek就不變了，以後只write（請看附1代碼）；
- O_CREAT：創建文件時設定第三個參數mode，指定訪問權限；
- O_DIRECTORY：保證path是個目錄，如果不是目錄就會報錯；
- O_EXCL：將測試文件是否存在和創建文件組成原子操作，如果creat時文件已存在，出錯（這樣的設計就不會出現兩個進程同時創建覆蓋的後果了）；
- O_NONBLOCK：如果path引用的是FIFO、塊特殊文件或字符特殊文件，將I/O操作設置爲非阻塞狀態；
- O_SYNC：使每次write等待霧裏I/O操作完成，包括由該write操作引起的文件屬性更新所需的I/O；
- O_TRUNC：用寫或讀寫方式打開時將文件長度截斷爲0（等同於創建覆蓋文件）。
// 所有的參數都在fcntl.h中進行了宏定義

fd參數把open和openat函數區分開，共有三種可能：
1. path參數指定的是絕對路徑，在這種情況下fd被忽略，openat就相當於open;
2. path參數指定的是相對路徑，fd指出了相對路徑名在文件系統中開始的位置（fd參數通過打開相對路徑名所在的目錄獲取的O_SEARCH | O_DIRECTORY）;
3. path參數指定的是相對路徑，fd爲特殊值AT_FDCWD，此時就在工作目錄獲取，與open一樣。
【使用openat函數可以讓我們使用相對路徑去在不同的目錄進行工作，解決了多線程工作在不同目錄的問題】

creat函數：

int creat(const char *path, mode_t mode);
// open(path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode);
// 現在open添加了O_CREAT和O_TRUNC這些選項，也不再需要單獨的creat了

如果創建成功，返回文件描述符，出錯返回-1。

creat的不足是使用只寫的方式打開文件，如果要讀和寫同時進行，就只能進行切換，十分麻煩。現在可以使用open(path, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, mode)來實現。

close函數：

int close(int fd);

當一個進程終止的時候，內核自動關閉它所有打開的文件，很多程序利用這一點而不去主動close。

lseek函數：

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

如果成功，返回文件新的偏移量，否則返回-1。通常open一個文件都會將偏移量設置爲0，除非指定了O_APPEND選項。如果對FIFO或者套接字管道等設置偏移量，會返回-1並將errno設置爲ESPIPE。

whence參數：SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END

文件的偏移量是可以大於文件長度的，這樣對文件的下一次寫將會加長該文件，並在中間構成一個用0填充的空洞（雖然在存儲的時候跟文件系統壓縮方式有關，但它就是有那麼大）。

read函數：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

返回值是讀取到的字節數，如果已經到達文件的尾端，返回0。需要使用返回值來確定長度而不是nbytes，因爲有很多情況是讀不滿的。

write函數：

ssize_t write(int fd, void *buf, size_t nbytes);

返回值是成功寫入的字節數，如果出錯返回-1。與read不同，write返回值通常是與nbytes相等的，如果不相等則表示出了一些問題，如磁盤寫滿了，或者單進程文件寫太長了受限。

dup函數：

int dup(int fd);
int dup2(int fd1，int fd2);

兩個函數均爲複製一個現存的文件的描述。若成功返回值爲新的文件描述符，若出錯爲-1。由dup返回的新文件描述符一定是當前可用文件描述中的最小數值。用dup2則可以用fd2參數指定新的描述符數值。如果fd2已經打開，則先關閉。若fd1=fd2，則dup2返回fd2，而不關閉它。通常使用這兩個系統調用來重定向一個打開的文件描述符（構成選擇通道，篩選器等等）。

dup可以看作是close和fcntl的原子集合操作。

我們的系統還提供了/dev/fd目錄，這個目錄裏有數字0、1、2等文件，在程序中打開文件就相當於複製對應的描述符，注意此時的mode必須爲之前打開對應fd的mode的子集，不可越限。使用這種方法creat的時候可能會導致底層文件被截斷，因爲linux實現使用指向實際文件的符號鏈接。

fd = open("/dev/fd/0", O_RDONLY);

sync函數：

int fsync(int fd);
int fdatasync(int fd);
void sync(void);

由於大多數磁盤I/O都採用了緩衝區寫入的辦法，I/O操作都是內核對緩衝區的寫入操作，只有在內核需要重用緩衝區來存放其他磁盤塊數據時，纔會把所有延遲寫數據塊寫入磁盤。這時就會出現一些一致性的問題，所以UNIX提供了sync、fsync和fdatasync三個函數將緩衝區文件內容寫入磁盤。通常系統守護進程update就是週期性的調用sync函數來保證定期flush緩衝區。