Unix I/O详解：系统调用与文件描述符

"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。