UNIXI/O编程：从基础到高级应用

### UNIX I/O 编程：从基础到高级应用 #### 1. 缓冲与输出问题 在 UNIX 环境下，缓冲机制对程序输出有着重要影响。以下是两个简单的 C 程序示例： ```c #include <stdio.h> #include <unistd.h> int main(void) { printf("This is my output."); fork(); return 0; } ``` 由于缓冲的存在，`printf` 的输出很可能被写入与标准输出对应的缓冲区，而不是直接输出到实际设备。`fork` 会复制用户空间的缓冲区，当父进程和子进程终止时，`main` 返回会触发缓冲区刷新，因此输出会是两次 “This is my output.”。 ```c #include <stdio.h> #include <unistd.h> int main(void) { printf("This is my output.\n"); fork(); return 0; } ``` 标准输出通常采用行缓冲，遇到换行符时缓冲区会被刷新。所以在这个程序中，`fork` 之前缓冲区就会被刷新，只会输出一行 “This is my output.”。 #### 2. UNIX 过滤器与重定向 UNIX 提供了大量的过滤器工具，如 `head`、`tail`、`more`、`sort`、`grep` 和 `awk` 等。过滤器从标准输入读取数据，进行转换后将结果输出到标准输出，错误信息则输出到标准错误。过滤器的所有参数通过命令行参数传递，输入数据无头部或尾部信息，且无需与用户交互。 `cat` 命令是一个典型的例子，当没有指定命令行参数时，它从标准输入读取数据并输出到标准输出，此时表现得像一个过滤器。例如，以下命令将标准输出重定向到 `my.file`： ```sh cat > my.file ``` 这个命令会将键盘输入的内容收集到 `my.file` 中。在底层，重定向是通过修改文件描述符表实现的。大多数 shell 将命令行中的 `>` 解释为标准输出重定向，`<` 解释为标准输入重定向。 在 C 程序中实现重定向的步骤如下： 1. 打开目标文件，在系统文件表中创建相应条目。 2. 使用 `dup2` 函数将目标文件的指针复制到标准输出对应的文件描述符表条目。 3. 关闭多余的文件描述符表条目。 `dup2` 函数的原型如下： ```c #include <unistd.h> int dup2(int fildes, int fildes2); ``` 该函数关闭 `fildes2` 对应的文件描述符表条目（如果已打开），然后将 `fildes` 的指针复制到 `fildes2`。成功时返回被复制的文件描述符值，失败时返回 -1 并设置 `errno`。`dup2` 可能出现的错误如下表所示： | errno | cause | | --- | --- | | EBADF | `fildes` 不是有效的打开文件描述符，或者 `fildes2` 为负数或大于等于 `OPEN_MAX` | | EINTR | `dup2` 被信号中断 | 以下是一个重定向标准输出到 `my.file` 并追加消息的 C 程序示例： ```c #include <fcntl.h> #include <stdio.h> #include <sys/stat.h> #include <unistd.h> #include "restart.h" #define CREATE_FLAGS (O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND) #define CREATE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH) int main(void) { int fd; fd = open("my.file", CREATE_FLAGS, CREATE_MODE); if (fd == -1) { perror("Failed to open my.file"); return 1; } if (dup2(fd, STDOUT_FILENO) == -1) { perror("Failed to redirect standard output"); return 1; } if (r_close(fd) == -1) { perror("Failed to close the file"); return 1; } if (write(STDOUT_FILENO, "OK", 2) == -1) { perror("Failed in writing to file"); return 1; } return 0; } ``` #### 3. 文件控制 `fcntl` 是一个通用的文件控制函数，用于检索和修改与打开文件描述符相关的标志。其原型如下： ```c #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> int fcntl(int fildes, int cmd, /* arg */ ...); ``` `fildes` 指定文件描述符，`cmd` 指定操作，根据 `cmd` 的值可能需要额外的参数。函数的返回值取决于 `cmd` 参数，失败时返回 -1 并设置 `errno`。`fcntl` 可能出现的错误如下表所示： | errno | cause | | --- | --- | | EACCES | `cmd` 为 `F_SETLK` 且不允许锁定 | | EBADF | `fildes` 不是有效的打开文件描述符，或者文件未正确打开以进行所需的锁定类型 | | EINTR | `cmd` 为 `F_SETLKW` 且函数被信号中断 | | EINVAL | `cmd` 无效，或者 `cmd` 为 `F_DUPFD` 且 `arg` 为负数或大于等于 `OPEN_MAX`，或者 `cmd` 是锁定函数且 `arg` 无效，或者 `fildes` 引用的文件不支持锁定 | | EMFILE | `cmd` 为 `F_DUPFD` 且进程的 `OPEN_MAX` 描述符已打开，或者没有大于等于 `arg` 的文件描述符可用 | | ENOLCK | `cmd` 为 `F_SETLK` 或 `F_SETLKW` 且锁定会超过限制 | | EOVERFLOW | 要返回的值之一无法正确表示，或者请求的锁定偏移量无法用 `off_t` 表示 | `fcntl` 的 `cmd` 参数的 POSIX 值如下表所示： | cmd | meaning | | --- | --- | | F_DUPFD | 复制文件描述符 | | F_GETFD | 获取文件描述符标志 | | F_SETFD | 设置文件描述符标志 | | F_GETFL | 获取文件状态标志和访问模式 | | F_SETFL | 设置文件状态标志和访问模式 | | F_GETOWN | 如果 `fildes` 是套接字，获取带外信号的进程或组 ID | | F_SETOWN | 如果 `fildes` 是套接字，设置带外信号的进程或组 ID | | F_GETLK | 获取第一个阻止由 `arg` 指定的描述的锁 | | F_SETLK | 设置或清除由 `arg` 指定的段锁 | | F_SETLKW | 与 `F_SETLK` 相同，除了在请求满足之前会阻塞 | 一个重要的应用是将打开的文件描述符设置为非阻塞 I/O 模式。可以通过以下步骤实现： 1. 使用 `fcntl` 的 `F_GETFL` 命令检索文件描述符的当前标志。