26、深入理解電腦系統筆記，系統級I/O

1、一個unix檔案就是一個m位元組的序列（b0b1b2...bm-1）。所有的IO裝置，如網路，磁碟，終端，都被模型化為檔案，而所有的輸入和輸出都被當作對相應檔案的讀和寫來執行。

2、所有的輸入和輸出都被當作統一的方式來處理：

1）開啟檔案。一個應用程式通過要求核心開啟相應的檔案，來宣告它想要訪問一個IO裝置。核心返回一個小的非負整數，叫做描述符，它在後續對此檔案的所有操作中標識這個檔案。核心記錄這個開啟檔案的所有資訊，而應用程式只需記住這個描述符。

Unix建立的每個進程開始都有三個開啟的檔案：標準輸入（描述符為0），標準輸出（描述符1），標準錯誤（描述符為2）。標頭檔unistd.h中定義了相關常量。

2）改變當前的位置。核心保持一個檔案位置k，對於每個開啟檔案，初始為0。這個檔案位置是從檔案開頭起始的位元組位移量。

3）核心釋放檔案開啟時建立的資料結構，並恢複描述符到可獲得描述符池中。

3、相關函數

open,close,read,write。具體定義可以參見man手冊，或相關網頁，或本書11.3。

1）某些情況下，原始的read,write傳送的位元組比應用程式要求的要少，這些不足值（short count）不一定是錯誤（意為，比如read函數參數要讀5個位元組，結果唯讀了3個位元組，即小於5），下面的情況下將可能發生不足值：

（1）讀時遇到EOF。

（2）從終端讀文本行。

（3）讀和寫網路通訊端。

為了避免不足值問題（健壯程式的需求，如Web伺服器這樣的網路應用），就需要處理不足值。本書作者11.4節開發了Rio包滿足這個情況。

4、函數是安全執行緒的：它在同一個描述符上可以被交替地調用。

5、中繼資料：關於檔案的資訊，如建立時間，修改時間，metadata。可以調用stat，fstat函數。

6、對於核心而言，檔案檔案和二進位檔案毫無區別。

7、共用檔案

核心用三種相關的資料結構來表示開啟的檔案。

1）描述符表：它的表項由進程開啟的檔案描述符來索引的。

2）檔案表：開啟檔案的集合是一張檔案表來表示的，所有的進程共用這張表。

3）v-node表：同檔案表一樣，所有的進程共用這張v-node表。每個表項包含stat結構中的大部分資訊，如檔案大小等。

多個描述符也可以通過不同的檔案表項來引用同一個檔案。

展示一個fork建立子進程的情況：子進程有一個父進程描述符的副本；父子進程共用相同的開啟檔案表集合，因此共用相同的檔案位置。注意點：在核心刪除相應檔案表表項前，父子進程必須都關閉了它們的描述符。

8、IO重新導向

unix > ls > foo.txt

實際是dup2函數（one case）。dup2函數對檔案描述符表項進行重定位。

9、標準IO

標準函數如fopen,fclose,fread,fwrite,fgets,fputs,scanf,printf。

標準IO庫將一個開啟的檔案模型化為一個流，對於程式員來說，一個流就是一個指向類型為FILE結構的一個指標。每個ANSI C程式開始都有三個開啟的流stdin,stdout,stderr，分別對應於標準輸入、輸出、錯誤。

類型為FILE的流是對檔案描述符和流緩衝區的抽象。

10、樣本圖

11、標準IO流，從某種意義上而言是全雙工系統的，因為程式能夠在同一個流上執行輸入和輸出。但是有一些限定：

1)限定1:輸入函數跟有輸出函數之後。如果中間沒有fflush,fseek,fsetpos或rewind的調用，一個輸入函數不能跟隨在一個輸出函數之後。fflush清空與流相關的緩衝區，後三個函數使用unix IO lseek函數來重設當前檔案的位置。

2)限定2:輸出函數跟有輸入函數之後。情況類同上。

    這些限定給網路應用帶來一個問題：因為對通訊端使用lseek是非法的。用Rio包可以解決這個問題。用sprintf把輸出格式化一個字串，通過rio_writen輸出，傅rio_readlineb來讀一行，用scanf來從文本中提取不同的欄位。