Android C++ 系列：Linux 文件 IO 操作 (二)

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.outhello world(回车) hello worl$ dbash: 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。