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10 系统级 I/O ​

本章知识图谱 ​

图表渲染中…

I/O 设备交互方式 ​

轮询：

  • CPU 不断检查设备状态。
  • 实现简单。
  • 浪费 CPU。

中断：

  • 设备完成或需要服务时中断 CPU。
  • CPU 不必一直等待。
  • 每次中断仍有上下文切换和处理开销。

DMA：

  • Direct Memory Access。
  • CPU 初始化传输后，DMA 控制器直接在设备和内存间搬运数据。
  • 传输过程中 CPU 不逐字节参与。
  • 大块数据传输效率高。

高频判断：

  • DMA 不是完全不需要 CPU，初始化和完成处理仍需 CPU。
  • DMA 优势是减少数据传输过程中的 CPU 参与。

Unix 文件抽象 ​

Linux 文件是字节序列：

B0,B1,…,Bm−1

一切皆文件：

  • 普通文件。
  • 目录。
  • 设备。
  • 管道。
  • socket。

统一接口：

c
int open(const char *filename, int flags, mode_t mode);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);
int close(int fd);

文件描述符是进程中的小整数：

  • 0：stdin。
  • 1：stdout。
  • 2：stderr。

文件类型 ​

普通文件：

  • 文本文件是只包含文本编码的普通文件。
  • 二进制文件是任意字节序列。
  • 内核不区分文本/二进制，应用程序解释内容。

目录：

  • 文件名到文件的映射。
  • 目录本身也是文件。

open/read/write/close ​

open 返回 fd，并在内核中建立打开文件状态。

read：

  • 从当前文件位置复制字节到用户缓冲区。
  • 更新文件位置。
  • 返回实际读到的字节数。

write：

  • 从用户缓冲区复制字节到当前文件位置。
  • 更新文件位置。
  • 返回实际写入的字节数。

close：

  • 释放 fd。
  • 可能返回错误，例如延迟写回失败，因此也应检查返回值。

Short Count ​

short count 指 read/write 返回值小于请求字节数。

可能原因：

  • 读到 EOF。
  • 从终端读取一行。
  • socket 或 pipe 当前只有部分数据。
  • 写入时内核缓冲区暂时容纳不了全部数据。

普通磁盘文件读写较少出现 short count，但网络程序必须处理。

RIO ​

RIO：Robust I/O，封装 Unix I/O，处理 short count。

无缓冲函数：

  • rio_readn：尽量读满 n 字节，除非 EOF 或错误。
  • rio_writen：尽量写满 n 字节。

带缓冲函数：

  • rio_readlineb：读一行。
  • rio_readnb：读 n 字节。

网络程序常用 RIO，因为 socket I/O 很容易 short count。

文件元数据 ​

元数据包括：

  • 文件类型。
  • 大小。
  • 权限。
  • 所有者。
  • 时间戳。
  • 块位置等。

stat/fstat 可读取文件元数据。

权限码：

text
rwxr-x--x

分三组：

  • user：rwx = 7。
  • group：r-x = 5。
  • other：--x = 1。

所以八进制权限是 751。

打开文件的内核表示 ​

三层结构：

  1. Descriptor table：每个进程一张，fd 指向 open file table entry。
  2. Open file table：系统范围，保存文件位置、引用计数、打开模式。
  3. v-node/i-node table：文件元数据。

fork 后：

  • 子进程复制父进程 descriptor table。
  • 父子 fd 指向同一 open file table entry。
  • 因此共享文件位置。

execve 后：

  • 默认保留打开文件描述符。
  • 可用 close-on-exec 控制。

I/O 重定向 ​

Shell 中：

bash
ls > foo.txt

子进程在 execve 前做：

c
int fd = open("foo.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
dup2(fd, STDOUT_FILENO);
close(fd);
execve("/bin/ls", argv, envp);

dup2(oldfd, newfd) 让 newfd 指向 oldfd 指向的打开文件。

标准 I/O ​

标准 I/O 如：

c
printf, scanf, fgets, fputs, fread, fwrite

它们基于 FILE * stream，内部有用户级缓冲区。

缓冲类型：

  • 全缓冲：文件常见。
  • 行缓冲：终端常见，遇 \n 刷新。
  • 无缓冲：stderr 常见。

选择原则：

  • 普通文件处理可用标准 I/O。
  • 网络 socket 推荐 RIO 或直接 Unix I/O。
  • 不要在同一个 fd 上混用标准 I/O 和 Unix I/O，缓冲状态容易错乱。

本章高频错因 ​

  • 把 fd 当成全系统唯一。fd 只在进程内有意义。
  • 认为 read 请求多少一定返回多少。
  • 忘记 write 也可能 short count。
  • 不理解 fork 后父子共享打开文件位置。
  • dup2 的参数顺序写反。
  • 在信号 handler 中使用标准 I/O。
  • 网络程序用 read 一次就假设收完完整应用消息。