linux read() 函數

read()函數
read 函數從開啟的裝置或檔案中讀取資料。  

#include <unistd.h>    

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

傳回值：成功返回讀取的位元組數，出錯返回-1並設定errno，如果在調read之前已到達檔案末尾，則這次read返回0

參數count是請求讀取的位元組數，讀上來的資料儲存在緩衝區buf中，同時檔案的當前讀寫位置向後移。注意這個讀寫位置和使用C標準I/O庫時的讀寫位置有可能不同，這個讀寫位置是記在核心中的，而使用C標準I/O庫時的讀寫位置是使用者空間I/O緩衝區中的位置。比如用fgetc讀一個位元組，fgetc有可能從核心中預讀1024個位元組到I/O緩衝區中，再返回第一個位元組，這時該檔案在核心中記錄的讀寫位置是1024，而在FILE結構體中記錄的讀寫位置是1。注意傳回值類型是ssize_t，表示有符號的size_t，這樣既可以返回正的位元組數、0（表示到達檔案末尾）也可以返回負值-1（表示出錯）。read函數返回時，傳回值說明了buf中前多少個位元組是剛讀上來的。有些情況下，實際讀到的位元組數（傳回值）會小於請求讀的位元組數count，例如：讀常規檔案時，在讀到count個位元組之前已到達檔案末尾。例如，距檔案末尾還有30個位元組而請求讀100個位元組，則read返回30，下次read將返回0。

從終端裝置讀，通常以行為單位，讀到分行符號就返回了。

從網路讀，根據不同的傳輸層協議和核心緩衝機制，傳回值可能小於請求的位元組數，後面socket編程部分會詳細講解。

write
函數向開啟的裝置或檔案中寫資料。

#include <unistd.h>   

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

傳回值：成功返回寫入的位元組數，出錯返回-1並設定errno寫常規檔案時，write的傳回值通常等於請求寫的位元組數count，而向終端裝置或網路寫則不一定。

讀常規檔案是不會阻塞的，不管讀多少位元組，read一定會在有限的時間內返回。從終端裝置或網路讀則不一定，如果從終端輸入的資料沒有分行符號，調用read讀終端裝置就會阻塞，如果網路上沒有接收到資料包，調用read從網路讀就會阻塞，至於會阻塞多長時間也是不確定的，如果一直沒有資料到達就一直阻塞在那裡。同樣，寫常規檔案是不會阻塞的，而向終端裝置或網路寫則不一定。

現在明確一下阻塞（Block）這個概念。當進程調用一個阻塞的系統函數時，該進程被置於睡眠（Sleep）狀態，這時核心調度其它進程運行，直到該進程等待的事件發生了（比如網路上接收到資料包，或者調用sleep指定的睡眠時間到了）它才有可能繼續運行。與睡眠狀態相對的是運行（Running）狀態，在Linux核心中，處於運行狀態的進程分為兩種情況：

正在被調度執行。CPU處於該進程的上下文環境中，程式計數器（eip）裡儲存著該進程的指令地址，通用寄存器裡儲存著該進程運算過程的中間結果，正在執行該進程的指令，正在讀寫該進程的地址空間。

就緒狀態。該進程不需要等待什麼事件發生，隨時都可以執行，但CPU暫時還在執行另一個進程，所以該進程在一個就緒隊列中等待被核心調度。系統中可能同時有多個就緒的進程，那麼該調度誰執行呢？核心的調度演算法是基於優先順序和時間片的，而且會根據每個進程的運行情況動態調整它的優先順序和時間片，讓每個進程都能比較公平地得到機會執行，同時要兼顧使用者體驗，不能讓和使用者互動的進程響應太慢。

下面這個小程式從終端讀資料再寫回終端。

例 28.2. 阻塞讀終端

#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;  }

執行結果如下：

$ ./a.out   hello（斷行符號）  hello  

$ ./a.out   hello world（斷行符號）  hello 

worl$ d  bash: d: command not found

第一次執行a.out的結果很正常，而第二次執行的過程有點特殊，現在分析一下：

Shell進程建立a.out進程，a.out進程開始執行，而Shell進程睡眠等待a.out進程退出。

a.out調用read時睡眠等待，直到終端裝置輸入了分行符號才從read返回，read唯讀走10個字元，剩下的字元仍然儲存在核心的終端裝置輸入緩衝區中。

a.out
進程列印並退出，這時Shell進程恢複運行，Shell繼續從終端讀取使用者輸入的命令，於是讀走了終端裝置輸入緩衝區中剩下的字元d和分行符號，把它當成一條命令解釋執行，結果發現執行不了，沒有d這個命令。

如果在open一個裝置時指定了O_NONBLOCK標誌，read/write就不會阻塞。以read為例，如果裝置暫時沒有資料可讀就返回-1，同時置errno為EWOULDBLOCK（或者EAGAIN，這兩個宏定義的值相同），表示本來應該阻塞在這裡（would block，虛擬語氣），事實上並沒有阻塞而是直接返回錯誤，調用者應該試著再讀一次（again）。這種行為方式稱為輪詢（Poll），調用者只是查詢一下，而不是阻塞在這裡死等，這樣可以同時監視多個裝置：

while(1) {
非阻塞read(裝置1);
if(裝置1有資料到達)
  處理資料;
非阻塞read(裝置2);
if(裝置2有資料到達)
  處理資料;
...
}

如果
read(裝置1)
是阻塞的，那麼只要裝置1沒有資料到達就會一直阻塞在裝置1的
read
調用上，即使裝置2有資料到達也不能處理，使用非阻塞I/O就可以避免裝置2得不到及時處理。

非阻塞I/O有一個缺點，如果所有裝置都一直沒有資料到達，調用者需要反覆查詢做無用功，如果阻塞在那裡，作業系統可以調度別的進程執行，就不會做無用功了。在使用非阻塞I/O時，通常不會在一個while迴圈中一直不停地查詢（這稱為Tight Loop），而是每延遲等待一會兒來查詢一下，以免做太多無用功，在延遲等待的時候可以調度其它進程執行。

while(1) {

   非阻塞read(裝置1);

   if(裝置1有資料到達)    處理資料;

   非阻塞read(裝置2);

   if(裝置2有資料到達)    處理資料;

   ...   sleep(n);

  }

這樣做的問題是，裝置1有資料到達時可能不能及時處理，最長需延遲n秒才能處理，而且反覆查詢還是做了很多無用功。以後要學習的select(2)函數可以阻塞地同時監視多個裝置，還可以設定阻塞等待的逾時時間，從而圓滿地解決了這個問題。

以下是一個非阻塞I/O的例子。目前我們學過的可能引起阻塞的裝置只有終端，所以我們用終端來做這個實驗。程式開始執行時在0、1、2檔案描述符上自動開啟的檔案就是終端，但是沒有O_NONBLOCK標誌。所以就像例
28.2 “阻塞讀終端”一樣，讀標準輸入是阻塞的。我們可以重新開啟一遍裝置檔案/dev/tty（表示當前終端），在開啟時指定
O_NONBLOCK標誌。

例 28.3. 非阻塞讀終端

#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實現等待逾時的例子。既保證了逾時退出的邏輯又保證了有資料到達時處理延遲較小。

例 28.4. 非阻塞讀終端和等待逾時

#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;

  }