Android C++系列：Linux文件IO操作(二)-阿里云开发者社区

1.1 read/write

read函数从打开的设备或文件中读取数据。

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); 
//返回值:成功返回读取的字节数，出错返回-1并设置errno，如果在调read之前已到达文件末尾，则这次read返回0

参数count是请求读取的字节数，读上来的数据保存在缓冲区buf中，同时文件的当前读写位置向后移。

注意这个读写位置和使用C标准I/O库时的读写位置有可能不同，这个读写位置是记在内核中的，而使用C标准I/O库时的读写位置是用户空间I/O缓冲区中的位置。比如用fgetc读一个字节，fgetc有可能从内核中预读1024个字节到I/O缓冲区中，再返回第一个字节，这时该文件在内核中记录的读写位置是1024，而在FILE结构体中记录的读写位置是 1。

注意返回值类型是ssize_t，表示有符号的size_t，这样既可以返回正的字节数、0(表示到达文件末尾)也可以返回负值-1(表示出错)。

read函数返回时，返回值说明了buf中前多少个字节是刚读上来的。有些情况下，实际读到的字节数(返回值)会小于请求读的字节数count，例如:

读常规文件时，在读到count个字节之前已到达文件末尾。例如，距文件末尾还有30个字节而请求读100个字节，则read返回30，下次read将返回0。

从终端设备读，通常以行为单位，读到换行符就返回了。

从网络读，根据不同的传输层协议和内核缓存机制，返回值可能小于请求的字节数，后面socket编程部分会详细讲解。

write函数向打开的设备或文件中写数据。

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); 
返回值:成功返回写入的字节数，出错返回-1并设置errno

写常规文件时，write的返回值通常等于请求写的字节数count，而向终端设备或网络写则不一定。

1.2 阻塞和非阻塞

读常规文件是不会阻塞的，不管读多少字节，read一定会在有限的时间内返回。从终端设备或网络读则不一定，如果从终端输入的数据没有换行符，调用read读终端设备就会阻塞，如果网络上没有接收到数据包，调用read从网络读就会阻塞，至于会阻塞多长时间也是不确定的，如果一直没有数据到达就一直阻塞在那里。同样，写常规文件是不会阻塞的，而向终端设备或网络写则不一定。

现在明确一下阻塞(Block)这个概念。当进程调用一个阻塞的系统函数时，该进程被置于睡眠(Sleep)状态，这时内核调度其它进程运行，直到该进程等待的事件发生了(比如网络上接收到数据包，或者调用sleep指定的睡眠时间到了)它才有可能继续运行。与睡眠状态相对的是运行(Running)状态，在Linux内核中，处于运行状态的进程分为两种情况:

正在被调度执行。CPU处于该进程的上下文环境中，程序计数器(eip)里保存着该进程的指令地址，通用寄存器里保存着该进程运算过程的中间结果，正在执行该进程的指令，正在读写该进程的地址空间。
就绪状态。该进程不需要等待什么事件发生，随时都可以执行，但CPU暂时还在执行另一个进程，所以该进程在一个就绪队列中等待被内核调度。系统中可能同时有多个就绪的进程，那么该调度谁执行呢?内核的调度算法是基于优先级和时间片的，而且会根据每个进程的运行情况动态调整它的优先级和时间片，让每个进程都能比较公平地得到机会执行，同时要兼顾用户体验，不能让和用户交互的进程响应太慢。

下面这个小程序从终端读数据再写回终端。

1.2.1 阻塞读终端

#include <unistd.h> #include <stdlib.h>
int main(void) {
  char buf[10];
  int n;
  n = read(STDIN_FILENO, buf, 10); 
  if (n < 0) {
    perror("read STDIN_FILENO");
    exit(1); 
  }
  write(STDOUT_FILENO, buf, n);
  return 0; 
}

执行结果如下:

$ ./a.out hello(回车)
hello
$ ./a.out
hello world(回车) hello worl$ d
bash: d: command not found

一次执行a.out的结果很正常，而第二次执行的过程有点特殊，现在分析一下:

Shell进程创建a.out进程，a.out进程开始执行，而shell进程睡眠等待a.out进程退出。

a.out调用read时睡眠等待，直到终端设备输入了换行符才从read返回，read只读走10 个字符，剩下的字符仍然保存在内核的终端设备输入缓冲区中。

a.out进程打印并退出，这时shell进程恢复运行，Shell继续从终端读取用户输入的命令，于是读走了终端设备输入缓冲区中剩下的字符d和换行符，把它当成一条命令解释执行，结果发现执行不了，没有d这个命令。

如果在open一个设备时指定了O_NONBLOCK标志，read/write就不会阻塞。以read为例，如果设备暂时没有数据可读就返回-1，同时置errno为EWOULDBLOCK(或者EAGAIN，这两个宏定义的值相同)，表示本来应该阻塞在这里(would block，虚拟语气)，事实上并没有阻塞而是直接返回错误，调用者应该试着再读一次(again)。这种行为方式称为轮询 (Poll)，调用者只是查询一下，而不是阻塞在这里死等，这样可以同时监视多个设备:

while(1) { 
  非阻塞read(设备1); 
  if(设备1有数据到达)
    处理数据; 
  非阻塞read(设备2); 
  if(设备2有数据到达)
    处理数据; ...
}

如果read(设备1)是阻塞的，那么只要设备1没有数据到达就会一直阻塞在设备1的read 调用上，即使设备2有数据到达也不能处理，使用非阻塞I/O就可以避免设备2得不到及时处理。

非阻塞I/O有一个缺点，如果所有设备都一直没有数据到达，调用者需要反复查询做无用功，如果阻塞在那里，操作系统可以调度别的进程执行，就不会做无用功了。在使用非阻塞I/O时，通常不会在一个while循环中一直不停地查询(这称为Tight Loop)，而是每延迟等待一会儿来查询一下，以免做太多无用功，在延迟等待的时候可以调度其它进程执行。

while(1) { 
  非阻塞read(设备1); 
  if(设备1有数据到达)
    处理数据; 
  非阻塞read(设备2); 
  if(设备2有数据到达)
    处理数据; 
  ...
  sleep(n);
}

这样做的问题是，设备1有数据到达时可能不能及时处理，最长需延迟n秒才能处理，而且反复查询还是做了很多无用功。以后要学习的select(2)函数可以阻塞地同时监视多个设备，还可以设定阻塞等待的超时时间，从而圆满地解决了这个问题。

以下是一个非阻塞I/O的例子。目前我们学过的可能引起阻塞的设备只有终端，所以我们用终端来做这个实验。程序开始执行时在0、1、2文件描述符上自动打开的文件就是终端，但是没有O_NONBLOCK标志。所以就像例 28.2 “阻塞读终端”一样，读标准输入是阻塞的。我们可以重新打开一遍设备文件/dev/tty(表示当前终端)，在打开时指定O_NONBLOCK 标志。

1.2.2 非阻塞读终端

#include <unistd.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h> 
#include <stdlib.h>
#define MSG_TRY "try again\n"
int main(void) {
  char buf[10];
  int fd, n;
  fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK); 
  if(fd<0) {
    perror("open /dev/tty");
    exit(1); 
  }
tryagain:
  n = read(fd, buf, 10); 
  if (n < 0) {
    if (errno == EAGAIN) { 
      sleep(1);
      write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));
      goto tryagain; 
    }
    perror("read /dev/tty");
    exit(1); 
  }
  write(STDOUT_FILENO, buf, n); close(fd);
  return 0;
}

以下是用非阻塞I/O实现等待超时的例子。既保证了超时退出的逻辑又保证了有数据到达时处理延迟较小。

1.2.3 非阻塞读终端和等待超时

#include <unistd.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h> 
#include <stdlib.h>
#define MSG_TRY "try again\n" 
#define MSG_TIMEOUT "timeout\n"
int main(void) {
  char buf[10];
  int fd, n, i;
  fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK); 
  if(fd<0) {
    perror("open /dev/tty");
    exit(1); 
  }
  for(i=0; i<5; i++) {
    n = read(fd, buf, 10); 
    if(n>=0)
      break; 
    if(errno!=EAGAIN) {
      perror("read /dev/tty");
      exit(1); 
    }
    sleep(1);
    write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY)); 
  }
  if(i==5)
    write(STDOUT_FILENO, MSG_TIMEOUT, strlen(MSG_TIMEOUT));
  else
    write(STDOUT_FILENO, buf, n);
  close(fd);
  return 0; 
}

1.3 lseek

每个打开的文件都记录着当前读写位置，打开文件时读写位置是0，表示文件开头，通常读写多少个字节就会将读写位置往后移多少个字节。但是有一个例外，如果以O_APPEND方式打开，每次写操作都会在文件末尾追加数据，然后将读写位置移到新的文件末尾。lseek 和标准I/O库的fseek函数类似，可以移动当前读写位置(或者叫偏移量)。

#include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

参数offset和whence的含义和fseek函数完全相同。只不过第一个参数换成了文件描述符。和fseek一样，偏移量允许超过文件末尾，这种情况下对该文件的下一次写操作将延长文件，中间空洞的部分读出来都是0。

若lseek成功执行，则返回新的偏移量，因此可用以下方法确定一个打开文件的当前偏移量:

off_t currpos;
currpos = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);

这种方法也可用来确定文件或设备是否可以设置偏移量，常规文件都可以设置偏移量，而设备一般是不可以设置偏移量的。如果设备不支持lseek，则lseek返回-1，并将errno 设置为ESPIPE。注意fseek和lseek在返回值上有细微的差别，fseek成功时返回0失败时返回-1，要返回当前偏移量需调用ftell，而lseek成功时返回当前偏移量失败时返回-1。

1.4 fcntl

先前我们以read终端设备为例介绍了非阻塞I/O，为什么我们不直接对STDIN_FILENO做非阻塞read，而要重新open一遍/dev/tty呢?因为STDIN_FILENO在程序启动时已经被自动打开了，而我们需要在调用open时指定O_NONBLOCK标志。这里介绍另外一种办法，可以用 fcntl函数改变一个已打开的文件的属性，可以重新设置读、写、追加、非阻塞等标志(这些标志称为File Status Flag)，而不必重新open文件。

#include <unistd.h> #include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

这个函数和open一样，也是用可变参数实现的，可变参数的类型和个数取决于前面的 cmd参数。下面的例子使用F_GETFL和F_SETFL这两种fcntl命令改变STDIN_FILENO的属性，加上O_NONBLOCK选项，实现和例 28.3 “非阻塞读终端”同样的功能。

1.4.1 用fcntl改变File Status Flag

#include <unistd.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <errno.h>  
#include <string.h> 
#include <stdlib.h>
#define MSG_TRY "try again\n"
int main(void) {
  char buf[10];
  int n;
  int flags;
  flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL); flags |= O_NONBLOCK;
  if (fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags) == -1) { 
    perror("fcntl");
    exit(1);
  } 
tryagain:
  n = read(STDIN_FILENO, buf, 10); 
  if (n < 0) {
    if (errno == EAGAIN) { 
      sleep(1);
      write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));
      goto tryagain; 
    }
    perror("read stdin");
    exit(1); 
  }
  write(STDOUT_FILENO, buf, n);
  return 0; 
}

1.5 ioctl

ioctl用于向设备发控制和配置命令，有些命令也需要读写一些数据，但这些数据是不能用read/write读写的，称为Out-of-band数据。也就是说，read/write读写的数据是 in-band数据，是I/O操作的主体，而ioctl命令传送的是控制信息，其中的数据是辅助的数据。例如，在串口线上收发数据通过read/write操作，而串口的波特率、校验位、停止位通过ioctl设置，A/D转换的结果通过read读取，而A/D转换的精度和工作频率通过ioctl设置。

#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int d, int request, ...);

d是某个设备的文件描述符。request是ioctl的命令，可变参数取决于request，通常是一个指向变量或结构体的指针。若出错则返回-1，若成功则返回其他值，返回值也是取决于 request。

以下程序使用TIOCGWINSZ命令获得终端设备的窗口大小。

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/ioctl.h>
int main(void) {
  struct winsize size;
  if (isatty(STDOUT_FILENO) == 0)
    exit(1);
  if(ioctl(STDOUT_FILENO, TIOCGWINSZ, &size)<0) {
    perror("ioctl TIOCGWINSZ error");
    exit(1); 
  }
  printf("%d rows, %d columns\n", size.ws_row, size.ws_col);
  return 0; 
}

在图形界面的终端里多次改变终端窗口的大小并运行该程序，观察结果。

1.6 总结

本文介绍了read/write的系统调用，以及阻塞、非阻塞相关的概念以及配置方式，等待超时方式。还介绍了lseek、fcntl、ioctl文件操作相关的系统调用。

Android C++系列：Linux文件IO操作(二)

1.1 read/write

1.2 阻塞和非阻塞

1.2.1 阻塞读终端

1.2.2 非阻塞读终端

1.2.3 非阻塞读终端和等待超时

1.3 lseek

1.4 fcntl

1.4.1 用fcntl改变File Status Flag

1.5 ioctl

1.6 总结

热门文章

最新文章

相关课程

相关电子书

相关实验场景

推荐镜像

热门

活动广场

任务中心

开发者评测

高校计划

乘风者计划

训练营

阿里云MVP

话题

直播

下载

镜像站

技术资料

插件

Android C++系列：Linux文件IO操作(二)

1.1 read/write

1.2 阻塞和非阻塞

1.2.1 阻塞读终端

1.2.2 非阻塞读终端

1.2.3 非阻塞读终端和等待超时

1.3 lseek

1.4 fcntl

1.4.1 用fcntl改变File Status Flag

1.5 ioctl

1.6 总结

热门文章

最新文章

相关课程

相关电子书

相关实验场景

推荐镜像