Unix I/O详解:系统调用与文件描述符
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更新于2024-10-28
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"Unix I/O 小结"
在Unix操作系统中,I/O(输入/输出)是程序与外部设备交互的核心机制。本文将对Unix的各种I/O操作进行概述,涵盖从底层系统调用到高级I/O库的使用。
在Unix中,每个进程都有一个打开文件的列表,这个列表包含指向文件的inode指针以及文件的状态和位置等元数据。这个列表通过文件描述符(File Descriptor, FD)进行索引,文件描述符是进程与文件关联的非负整数,通常一个进程最多可以有1024个打开的文件描述符,而-1是非法值。子进程在创建时会继承父进程的文件描述符列表,这意味着子进程也拥有父进程打开的所有文件的状态。
Unix提供了一系列基本的I/O系统调用,这些调用主要基于文件描述符,包括:
1. `open`:用于打开或创建文件,并返回文件描述符。
2. `read`:从文件描述符指定的文件中读取数据,返回实际读取的字节数。
- 当返回值等于预期长度,表示读取成功。
- 返回值小于预期长度但大于0,可能是中断、错误或EOF(End of File)。
- 返回0,表示到达EOF。
- 返回-1,表示发生错误,需检查`errno`值以确定具体原因。
- 对于非阻塞读,进程不会因无数据可读而挂起,应用需要处理重试逻辑。
3. `write`:向文件描述符指定的文件写入数据。
- 部分写:可能需要循环确保所有数据写入。
- 追加写:使用`O_APPEND`标志,保证数据始终写入文件末尾。
- 非阻塞写:与非阻塞读类似,需要处理可能的阻塞情况。
- `write`返回成功并不意味着数据已写入磁盘,仅表示数据进入内核缓存。
4. `close`:关闭指定的文件描述符,释放与之相关的资源。
5. `lseek`:改变文件指针的位置,实现文件的随机访问。
6. `fsync/fdatasync`:将内核缓存中的数据同步到磁盘,确保数据持久化。
7. `poll/select`:用于等待多个文件描述符的读写事件,非阻塞I/O模型的一部分。
8. 其他:如文件截短等操作。
在处理`read`和`write`时,应特别注意错误处理,例如中断(EINTR)和资源暂时不可用(EAGAIN)。对于`write`,理解其行为至关重要,因为数据通常先写入内核缓存,而不是立即写入磁盘,这是为了优化性能,减少磁盘寻道次数。
此外,Unix还提供了高级I/O库,如stdio(标准输入/输出),它是一种缓冲I/O,可以进一步提高I/O操作的效率。stdio库中的`printf`和`scanf`等函数提供了更方便的文本格式化输入/输出,同时在内部使用缓冲区来减少系统调用的次数,从而提高整体性能。
总结来说,Unix的I/O系统是高效且灵活的,允许开发者从低级系统调用到高级库进行选择,以满足不同场景的需求。理解和熟练掌握这些I/O机制是编写高效Unix程序的关键。
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doudou0411
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