1. Unix I/O

输入/输出（I/O）是主存和外部设备之间复制数据的过程，在 Linux 中，文件就是字节的序列。所有的 I/O 设备（如网络、内核、磁盘和终端等）都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当作对相应文件的读和写来执行。这种将设备映射为文件的机制，允许内核引出简单、优雅的应用接口Unix I/O，使得所有输入和输出都以统一的方式执行，如 open()/close() 打开/关闭文件，read()/ write() 读/写文件。seek()改变当前文件位置。Unix I/O主要分为两大类：

为区分不同文件的类型，会有一个 type 来进行区别：

普通文件：包含任意数据
目录：相关文件组的索引
Socket：用于另一台机器上的进程通信

还有一些特别的类型仅做了解：命名管道(FIFOs)、符号链接、字符和块设备

普通文件

普通文件包含任意数据，应用程序通常需区分文本文件和二进制文件。前者只包含 ASCII 或 Unicode 字符。除此之外的都是二进制文件(对象文件, JPEG 图片, 等等)。内核不能区分出区别。

文本文件是文本行的序列，每行以 \n 结尾，新行是 0xa，和 ASCII 码中LF一样。不同系统判断行结束的符号不同(End of line, EOL)，Linux & Mac OS是\n(0xa)等价line feed(LF)，而Windows & 网络协议是\r\n (0xd 0xa)等价Carriage return(CR) followed by line feed(LF)

目录包含一个链接(link)数组，且每个目录至少包含两记录：.(dot) 当前目录、..(dot dot) 上层目录

操作命令主要有 mkdir, ls, rmdir。目录以树状结构组织，根目录是 /(slash)。

内核会为每个进程保存当前工作目录(cwd, current working directory)，可用 cd 命令进行更改。通过路径名来确定文件的位置，分为绝对路径和相对路径。

2. 文件操作

2.1 打开文件

打开文件会通知内核已准备好访问该文件

int fd; // 文件描述符 file descriptor

if ((fd = open("/etc/hosts", O_RDONLY)) < 0)
{
    perror("open");
    exit(1);
}

返回值是一个小的整型称为文件描述符(file descriptor)，若该值等于 -1 则说明发生错误。每个由 Linux shell创建的进程都会默认打开三个文件（注意这里的文件概念）：

0: standard input(stdin)
1: standard output(stdout)
2: standar error(stderr)

2.2 关闭文件

关闭文件会通知内核已完成对该文件的访问

int fd;     // 文件描述符
int retval; // 返回值

int ((retval = close(fd)) < 0)
{
    perror("close");
    exit(1);
}

关闭一个已经关闭的文件是线程程序中的灾难（稍后会详细介绍），所以一定要检查返回值，哪怕是看似良好的函数如 close()

2.3 读取文件

读取文件将字节从当前文件位置复制到内存，然后更新文件位置

char buf[512];
int fd;
int nbytes

// 打开文件描述符，并从中读取 512 字节的数据
if ((nbytes = read(fd, buf, sizeof(buf))) < 0)
{
    perror("read");
    exit(1);
}

返回值是读取的字节数量，是一个 ssize_t 类型（其实就是一个有符号整型），如果 nbytes < 0 那么表示出错。nbytes < sizeof(buf) 这种情况(short counts) 是可能发生的，而且并不是错误。

2.4 写入文件

写入文件将字节从内存复制到当前文件位置，然后更新当前文件位置

char buf[512];
int fd;
int nbytes;

// 打开文件描述符，并向其写入 512 字节的数据
if ((nbytes = write(fd, buf, sizeof(buf)) < 0)
{
    perror("write");
    exit(1);
}

返回值是写入的字节数量，如果 nbytes < 0 表示出错。nbytes < sizeof(buf) 这种情况(short counts) 是可能发生的，且不是错误。

2.5 读取目录

可用readdir系列函数读取目录的内容，每次对readdir的调用返回的都是指向流dirp中下一个目录项的指针，或没有更多目录项则返回NULL，每个目录项都有结构体：

struct dirent{
    ino_t d_ino;      /* inode number */
      char d_name[256]; /* filename */
};

2.6 简单Unix I/O 例子

拷贝文件到标准输出，一次一个字节：

#include "csapp.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
    char c;
    int infd = STDIN_FILENO;
    if (argc == 2) {
        infd = Open(argv[1], O_RDONLY, 0);
    }
    while(Read(infd, &c, 1) != 0)
        Write(STDOUT_FILENO, &c, 1);
    exit(0);
}

前面提到的 short count 会在下面的情形下发生：

读取的时遇到 EOF(end-of-file)
从终端中读取文本行
读和写网络 sockets

但下面的情况下不会发生

#include "csapp.h"
#define BUFSIZE 64

int main(int argc, char *argv[])
{
    char buf[BUFSIZE];
    int infd = STDIN_FILENO;
    if (argc == 2) {
        infd = Open(argv[1], O_RDONLY, 0);
    }
    while((nread = Read(infd, buf, BUFSIZE)) != 0)
        Write(STDOUT_FILENO, buf, nread);
    exit(0);
}

csapp之第10章：系统级I⁄O