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系统级I/O与Unix文件操作

在计算机系统中，输入/输出(I/O)操作是主存与外部设备之间数据传输的关键环节。本文将深入探讨Unix系统下的文件操作机制，包括文件的打开、读写、关闭等方面的细节。

Unix I/O模型

Unix系统将所有的I/O设备抽象为文件，这使得文件操作与设备操作具有一致性。程序通过读写文件进行I/O操作，而内核负责将操作转化为实际的设备访问。

文件操作的三个基本步骤

文件操作函数

open()函数

open()函数的调用格式为：

int open(const char *filename, int flags, mode_t mode);

参数说明：

• filename：文件路径字符串。
• flags：操作模式旗标，支持多种组合：
  • O_RDONLY：只读模式。
  • O_WRONLY：只写模式。
  • O_RDWR：读写模式。
  • O_CREAT：创建新文件。
  • O_TRUNC：截断现有文件。
  • O_APPEND：追加模式。
• mode_t mode：文件权限标志，支持9种掩码位组合。可以用umask函数设置默认权限。

返回值：成功返回文件描述符，失败返回-1。

close()函数

close()函数用于关闭文件描述符：

int close(int fd);

参数说明：fd是要关闭的文件描述符。

返回值：成功返回0，失败返回-1。

read()和write()函数

• read()函数：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);

从文件中读取n字节到buf缓冲区。返回实际读取的字节数，或-1表示失败。

• write()函数：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);

将n字节从buf缓冲区写入文件。返回实际写入的字节数，或-1表示失败。

优化文件读写性能

为了提升文件操作性能，可以使用rio（Robust I/O）库。rio提供两种无缓冲函数和带缓冲函数，适用于不同场景：

rio_readn()和rio_writen()函数

无缓冲函数适用于网络传输或高效读写，直接传输数据。

rio_readlineb()和rio_readnb()函数

带缓冲函数用于处理文本和二进制数据，支持行读写和大块读写。

文件元数据查询

通过stat()和fstat()函数，可以检索文件的元数据，如文件大小、权限、所有者、修改时间等。这些信息存储在struct stat结构体中。

共享文件与I/O重定向

在Unix系统中，文件共享通过文件表实现。内核用描述符表和v-node表管理文件资源。dup2()函数用于将描述符重定向到另一个描述符。

总结

本文从基础的文件操作到高级的I/O优化，全面探讨了Unix系统下的文件操作机制。理解这些机制是掌握Linux系统编程的关键。