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Android C++系列：Linux文件IO操作(二)

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Android C++系列：Linux文件IO操作(二)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。

「这是我参与11月更文挑战的第18天，活动详情查看：2021最后一次更文挑战」。

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

第一次执行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。

今天的文章Android C++系列：Linux文件IO操作(二)分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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