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Xv6 I/O 与文件描述符
参考: xv6-riscv-book 1.2 I/O and File descriptors
Xv6 I/O 系统调用
本文会使用到如下 Xv6 的 I/O 系统调用：
| 系统调用 | 说明 |
|---|---|
| int open(char *file, int flags) | 打开一个文件，flags 用来指示读or写，返回一个文件描述符 |
| int write(int fd, char *buf, int n) | 从 buf 写 n 个字节到文件描述符 fd，返回写入的字节数 |
| int read(int fd, char *buf, int n) | 从文件描述符 fd 读 n 个字节到 buf，返回读取的字节数或 0 表示 EOF（文件结束） |
| int close(int fd) | 释放打开的文件描述符 fd |
| int dup(int fd) | 返回一个新的文件描述符，指向与 fd 相同的文件 |
open 的 flags 由 kernel/fcntl.h:1-5 提供：
| flag | 说明 |
|---|---|
| O_RDONLY | 只读 |
| O_WRONLY | 只写 |
| O_RDWR | 读和写 |
| O_CREATE | 不存在时新建 |
| O_TRUNC | 把文件截断到 0 长度 |
这些都是用 bit 描述的，可以做或运算：
fd = open("/dir/file", O_CREATE|O_WRONLY);
Xv6 文件描述符
文件描述符就是一个整数，用来代表一个打开的 IO 对象（如文件），通过文件描述符就可以对 IO 对象进行读写操作。程序一开始就会被分配给如下惯例文件描述符：
| 文件描述符 | 说明 |
|---|---|
| 0 | stdin 标准输入 |
| 1 | stdout 标准输出 |
| 2 | stderr 标准错误 |
read & write
先来看一个例子：
// useio.c
#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
int main() {
char buf[512];
int n;
for(;;) {
n = read(0, buf, sizeof buf); // 0: stdin
if (n == 0) {
break; // EOF
}
if (n < 0) {
fprintf(2, "read error\n"); // 2: stderr
exit(1);
}
if (write(1, buf, n) != n) { // 1: stdout
fprintf(2, "write error\n");
exit(1);
}
}
exit(0);
}
这个程序从标准输入读，写到标准输出，相当于一个简化的 cat：
$ useio > fff
123456 # 这是输入的
$ useio < fff
123456 # 这是输出的
重定向的实现
在通过如 open 的系统调用打开一个文件时，被分配给的文件描述符总是当前可用的描述符中最小的。
用这个特性就可以实现输入输出的重定向。Xv6 的 Shell (user/sh.c:82) 里就是这么实现的。
下面的程序实现一个 cat < input.txt 的效果：
// uredirection.c
#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fcntl.h" // define O_RDONLY
int main() {
char *argv[2];
argv[0] = "cat";
argv[1] = 0;
if (fork() == 0) { // subprocess
close(0); // close stdin
// A newly allocated file descriptor is always the lowest-numbered unused descriptor of the current process.
open("input.txt", O_RDONLY); // 0 => input.txt
// exec replaces the calling process’s memory but preserves its file table.
exec("cat", argv);
}
exit(0);
}
编译运行：
$ cat > input.txt
<Input something here>
$ uredirection
<what is inputted above>
fork 和 exec 分离的一个好处就是 shell 可以在 fork 和 exec 之间优雅实现重定向，如上面的程序。如果把二者合并，提供一个 forkexec 系统调用，重定向的实现就很烦了：需要多传参数；或者在调用 forkexec 前设置 shell 进程自己的描述符，然后又改回去；或者让每个程序自己去支持重定向。
共享偏移
fork 的时候会拷贝文件描述符表，但每个文件的偏移量（读/写到哪）会在父子进程间共享。
// usharedoffset.c
#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fcntl.h"
int main() {
if (fork() == 0) {
write(1, "hello ", 6);
exit(0);
} else {
wait(0);
write(1, "world\n", 6);
}
exit(0);
}
运行效果：
$ echo "" > output.txt
$ usharedoffset > output.txt
$ cat output.txt
hello world
dup
dup “复制”一个现有的文件描述符，返回的新描述符指向和原来一样的 I/O 物体（比如文件）。类似于 fork，新旧文件描述符共享 offset。
// udup.c
#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fcntl.h"
int main() {
int fd = dup(1);
write(1, "hello ", 6);
write(fd, "world\n", 6);
exit(0);
}
运行效果：
$ udup > output.txt
$ cat output.txt
hello world
利用 dup，shell 就可以实现 ls existing-file non-existing-file > tmp1 2>&1 了。 2>&1 就是 2 = dup(1)，让标准错误和标准输出指向同一个文件，并且共享偏移（一直往后写）。
EOF
By CDFMLR 2021-02-18
echo "See you.🧑💻"
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