• Linux遵循一切皆文件的理念担猛，任何你能讀寫的東西都可以用文件描述符來訪問松蒜。

內(nèi)核為每個進程維護一個打開文件的列表，該表被稱為文件表(file table)读串。該表由一些叫做文件描述符(file descriptors)（沉募牵縮寫為fds）的非負整數(shù)進行索引撒妈。
用戶空間和內(nèi)核空間都把文件描述符作為每個進程的唯一cookies。

• 每個進程按照慣例會至少有三個打開的文件描述符：0：標準輸入（stdin）排监，1：標準輸出（stdout）狰右，2：標準錯誤（stderr）。C標準庫提供了預(yù)處理器宏：STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO, STDERR_FILENO宏舆床，以取代對以上整數(shù)的直接引用棋蚌。
• 文件描述符不僅僅用于普通文件的訪問，也用于訪問設(shè)備文件挨队、管道谷暮、目錄以及快速用戶空間鎖、FIFOs和套接字瞒瘸。

打開文件

最基本的訪問文件的方法是read( )和write( )系統(tǒng)調(diào)用坷备，在一個文件能被訪問之前，必須通過open( )或者creat( )系統(tǒng)調(diào)用打開它情臭，一旦使用完畢，就應(yīng)該用close( )系統(tǒng)調(diào)用來關(guān)閉文件赌蔑。

• open( )系統(tǒng)調(diào)用

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *name, int flags);
int open(const char *name, int flags, mode_t mode);

open( )系統(tǒng)調(diào)用將路徑名name給出的文件與一個成功返回的文件描述符想關(guān)聯(lián)俯在，文件位置指針被設(shè)定為零，而文件則根據(jù)flags給出的標志位打開娃惯。

• flags參數(shù)必須是以下之一：O_RDONLY(只讀), O_WRONLY(只寫), O_RDWR（可讀可寫）
• flags參數(shù)可以和以下一個或多個值進行按位或運算跷乐， 用以修改打開文件請求的行為：

1. O_APPEND: 文件以追加模式打開。在每次寫操作之前趾浅，文件位置指針將被置于文件末尾愕提。
2. O_ASYNC: 當(dāng)指定文件可寫或者可讀時產(chǎn)生一個信號（默認是SIGIO），這個標志僅用于終端和套接字皿哨，不能用于普通文件浅侨。
3. O_CREAT: 當(dāng)name指定的文件不存在時，將由內(nèi)核來創(chuàng)建证膨。
4. O_DIRECT: 用于直接IO如输。
5. O_DIRECTORY: 如果name不是一個目錄，open( )調(diào)用將會失敗央勒。這個標志用于在opendir( )內(nèi)部使用不见。
6. O_EXCL: 和O_CREAT一起給出的時候，如果由name給定的文件已經(jīng)存在崔步，則open( )調(diào)用失敗稳吮。用來防止文件創(chuàng)建時出現(xiàn)競爭。
7. O_LARGEFILE: 給定文件打開時將使用64位偏移量井濒，這樣大于2G的文件也能被打開灶似。
8. O_NOCTTY: 如果name指向一個終端設(shè)備（/dev/tty）列林，它將不會成為這個進程的控制終端，即時該進程目前沒有控制終端喻奥。
9. O_NOFOLLOW: 如果name是一個符號鏈接席纽，open( )調(diào)用會失敗。
10. O_NONBLOCK: 如果可以撞蚕，文件將在非阻塞模式下打開润梯。open( )調(diào)用不會，任何其它操作都不會使該進程
11. O_SYNC: 打開文件用于同步IO甥厦。
12. O_TRUNC: 如果文件存在纺铭，且為普通文件，并允許寫刀疙，將文件的長度截斷為0舶赔。

• 新文件所有者
  文件所有者的用戶ID就是創(chuàng)建該文件的進程的有效用戶id。
  創(chuàng)建文件的進程的組id賦予該文件的用戶組谦秧。

• 新文件權(quán)限
  除非創(chuàng)建了新文件竟纳，否則mode參數(shù)會被忽略。而當(dāng)O_CREAT給出時則必須提供mode參數(shù)疚鲤。

• 如果在使用O_CREAT時忘記了提供mode參數(shù)锥累，結(jié)果是未定義的，會很糟糕！

當(dāng)文件創(chuàng)建時，mode參數(shù)提供新建文件的權(quán)限客们。mode參數(shù)是常見的Unix權(quán)限位集合居灯，像八進制數(shù)0644（所有者可以讀寫，其他人只能讀）。例如：

int fd;
fd = open(file, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IWUSR | S_IRUSR | S_IWGRP | S_IRGRP | S_IROTH);
if (fd == -1)
    /* error */

• creat( ) 函數(shù)：
  O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC組合經(jīng)常被使用，以至于專門有個系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int creat (const char *name, mode_t mode);

對creat的調(diào)用：

int fd;
fd = creat(file, 0644);
if (fd == -1)
    /* error */

等價于：

int fd;
fd = open(file, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if (fd == -1)
   /* error */

• 返回值和錯誤碼
  open( )和creat( )系統(tǒng)調(diào)用成功時都返回一個fd，錯誤時都返回-1鹅心，并且將errno設(shè)置為一個合適的錯誤值。

用read( )讀取文件

最基本它掂、最常見的讀取文件的機制是使用read( )系統(tǒng)調(diào)用：

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t len);

該系統(tǒng)調(diào)用從fd指向的文件的當(dāng)前偏移量至多讀len個字節(jié)到buf中巴帮。成功時，將返回寫入buf中的字節(jié)數(shù)虐秋。出錯時榕茧，返回-1,并設(shè)置errno。

• 一次讀后客给，fd所指文件位置指針將會向前移動用押，移動的長度由之前讀取的字節(jié)數(shù)決定。（如果無法在該文件（比如一個字符設(shè)備文件）中確定文件位置靶剑，讀操作總是從“當(dāng)前”位置開始）

• 返回值
  返回值可能有以下結(jié)果：

1. 等于len蜻拨。則與預(yù)期一致
2. 大于0但是小于len池充。合法，讀取的字節(jié)存入buf中缎讼。
3. 返回0收夸。標志著EOF，沒有可以讀入的數(shù)據(jù)
4. 返回-1血崭，errno被設(shè)置為EINTR卧惜。表示在讀入字節(jié)之前收到了一個信號，可以重新進行調(diào)用夹纫。
5. 返回-1咽瓷， errno被設(shè)置為EAGAIN。這表示讀取會因為沒有可用的數(shù)據(jù)而阻礙舰讹，而讀請求應(yīng)該在之后重開茅姜。這只在非阻塞模式下發(fā)生。
6. 返回-1月匣， errno被設(shè)置不同于EINTR或EAGAIN的值钻洒。這表示某種更嚴重的錯誤。

• 讀入所有的字節(jié)
  讀入所有l(wèi)en個字節(jié)（至少讀到EOF）的一個例子：

ssize_t ret;
while (len != 0 && (ret = read(fd, buf, len) != 0)) {
  if (ret == -1) {
    if (errno == EINTR)
      continue;
    perror("read");
    break;
  }
  len -= ret;
  buf += ret;
}

• 非阻塞讀
  有時候锄开，程序員不希望當(dāng)沒有可讀數(shù)據(jù)時讓read( )調(diào)用阻塞航唆。相反，他們傾向于在沒有可讀數(shù)據(jù)時院刁，讓調(diào)用立即返回。這種情況被稱為非阻塞I/O粪狼。
• 如果給定的fd在非阻塞模式下打開(open( )中給定O_NONBLOCK)并且沒有可讀數(shù)據(jù)退腥，
  read( )調(diào)用會返回-1,且設(shè)置errno為EAGAIN而不是阻塞掉。
• 在進行非阻塞I/O時再榄，必須檢查EAGAIN狡刘，否則將可能因數(shù)據(jù)缺失而導(dǎo)致嚴重的錯誤。

char buf[BUFSIZE];
ssize_t nr;
start:
  nr = read(fd, buf, BUFSIZE);
  if (nr == -1) {
    if (errno == EINTR)
      goto start; 
    if (errno == EAGAIN)
      /* resubmit later */
    else
      /* error */
  }

• read( )大小限制
  在32系統(tǒng)上困鸥，size_t是unsigned int類型嗅蔬，ssize_t是有符號的size_t類型。
  size_t的最大值為SIZE_MAX;ssize_t的最大值為SSIZE_MAX疾就。如果len比SSIZE_MAX大澜术，read( )調(diào)用的結(jié)果是未定義的。
• 在大部分linux系統(tǒng)上猬腰，SSIZE_MAX是LONG_MAX,在32位系統(tǒng)上即0x7fffffff鸟废。
• 可增加如下代碼：

if (len > SSIZE_MAX)
  len = SSIZE_MAX;

• 一個len為0的read( )調(diào)用的結(jié)果是立即返回且返回值為0.

用write( )來寫

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

一個write( )調(diào)用從由文件描述符fd引用文件的當(dāng)前位置開始，將buf中至多count個字節(jié)寫入文件姑荷。

• 對于普通文件來說盒延，除非發(fā)生一個錯誤缩擂，否則write( )將保證寫入所有的請求。
• 對于其他類型的文件--例如套接字--得有個循環(huán)來保證你真的寫入了所有請求的字節(jié)添寺。使用循環(huán)的另一個好處是胯盯，第二個write( )調(diào)用可能會返回一個錯誤值用來說明第一次調(diào)用為什么進行了一次部分寫（盡管這種情況并不常見）。以下是一個實例代碼：

ssize_t ret, nr;
while (len != 0 && (ret = write(fd, buf, len)) != 0) {
  if (ret == -1) {
    if (errno == EINTR)
      continue;
    perror("write");
    break;
  }
  len -= ret;
  buf += ret;
}

• 追加模式
  打開文件時计露，open( )通過指定O_APPEND參數(shù)博脑，則在追加模式下打開。寫操作就總是從當(dāng)前文件末尾開始薄坏。

• 追加寫模式可使多個進程訪問同個文件不出錯趋厉。

• ** 非阻塞寫**
  當(dāng)fd在非阻塞模式下打開時（通過設(shè)置O_NONBLOCK參數(shù)），并且發(fā)起的寫操作會正常阻塞時胶坠，write( )系統(tǒng)調(diào)用返回-1君账，并設(shè)置errno值為EAGAIN。請求應(yīng)該在稍后重新發(fā)起沈善。通常普通文件不會出現(xiàn)這種情況乡数。

• write( )大小限制
  如果count比SSIZE_MAX還大，write( )調(diào)用的結(jié)果是未定義的闻牡。count值為0的write( )調(diào)用將會立即返回且返回值為0净赴。

• write( )的行為
  write是先寫入page cache后就立刻返回了，然后由內(nèi)核的后臺線程來writeback所有的"臟"緩沖區(qū)罩润，將它們排好序玖翅，并寫入到磁盤上。

同步IO

由于一般都使用page cache & writeback的機制割以，然而又有應(yīng)用想要控制數(shù)據(jù)寫入磁盤的時間金度，于是Linux提供了同步機制，用性能來換取同步操作严沥。

1. fsync( )

#include <unistd.h>
int fsync(fd);

調(diào)用fsync( )可保證fd對應(yīng)文件的臟數(shù)據(jù)回寫到磁盤上猜极。

2. fdatasync( ):

#include <unistd.h>
int fdatasync(fd);

和fsync( )的區(qū)別在于，它僅僅寫入數(shù)據(jù)消玄，不保證元數(shù)據(jù)同步到磁盤上跟伏。

• 注：這兩個調(diào)用都不保證任何已經(jīng)更新的包含該文件的目錄項同步到磁盤，如果要保證目錄項也同步翩瓜，必須對目錄本身也調(diào)用fsync( )進行同步受扳。

3. sync( ):

#include <unistd.h>
void sync(void);

sync( )用來對磁盤上的所有緩沖區(qū)進行同步！

• sync( )沒有參數(shù)奥溺，也沒有返回值辞色。它總是成功返回，并確保所有的緩沖區(qū)--包括數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)--都能寫入磁盤。
• sync( )并非一直等待到所有緩沖區(qū)都寫到磁盤才返回相满，只需要調(diào)用它來啟動將整個緩沖區(qū)寫入磁盤的過程即可层亿。

4. O_SYNC標志
   O_SYNC標志在open( )中使用，使所有在文件上的I/O操作同步立美。例如：

int fd;
fd = open(file, O_WRONLY | O_SYNC);
if (fd == -1){
  perror("open");
  return -1;
}

• O_SYNC看起來像是在每個write( )操作后都隱式地執(zhí)行fsync( ).
• O_SYNC會使總耗時增加一到兩個數(shù)量級
• 如果一般要確保數(shù)據(jù)寫入磁盤的應(yīng)用可以使用fsync( )或者fdatasync( )匿又。相比O_SYNC來說，開銷更小一點建蹄。

5. O_DSYNC和O_RSYNC

• O_DSYNC：只有普通數(shù)據(jù)被同步（與fdatasync( )類似）
• O_RSYNC: 保證讀請求同步碌更。該標志只能和O_SYNC或O_DSYNC一起使用。O_RSYNC保證每次讀操作后洞慎，元數(shù)據(jù)也立刻更新痛单。

直接IO

由于Linux內(nèi)核實現(xiàn)了一個復(fù)雜的緩存、緩沖以及設(shè)備和應(yīng)用之間的I/O管理的層次結(jié)構(gòu)劲腿。通過O_DIRECT標志使內(nèi)核最小化I/O管理的影響旭绒。

• 使用O_DIRECT標志時，I/O操作將忽略page cache機制焦人，直接對用戶空間緩沖區(qū)和設(shè)備進行初始化挥吵，所有的I/O將是同步的，操作在完成前不會返回花椭。
• 當(dāng)使用直接I/O時忽匈，請求長度，緩沖區(qū)對齊矿辽，和文件偏移必須是設(shè)別扇區(qū)大械ぴ省（通常是512字節(jié)）的整數(shù)倍。

關(guān)閉文件

程序完成對某個文件的操作后袋倔，可以使用close( )系統(tǒng)調(diào)用將文件描述符和對應(yīng)的文件解除關(guān)聯(lián)嫌松。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close( )調(diào)用解除了已打開的文件描述符的關(guān)聯(lián)，并分離進程和文件的關(guān)聯(lián)奕污。

• 關(guān)閉文件和文件被寫入磁盤沒有關(guān)系
• 關(guān)閉文件也有些副作用：fd關(guān)閉后，在內(nèi)核中表示該文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就被釋放了液走。當(dāng)它釋放時碳默，與文件關(guān)聯(lián)的inode的內(nèi)存拷貝被清除.