[系统运维]Linux的高级I/O函数

1、Linux的基本I/O函数有read，write以及open等：

#include<unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

2、与网络编程的高级I/O函数可以大致分为以下三类：

????????（1）用于创建文件描述符的函数，包括：pipe、dup/dup2函数?

????????（2）用于读写数据的函数，包括 readv/writev、sendfile、mmap/munmap、splice和tee函数

????????（3）用于控制I/O属性和行为的函数，包括fcntl函数

3、下面对各函数进行简单描述，包括其函数原型，参数，用法等

????????（1）pipe函数

#include<unistd.h>
int pipe(int fd[2]);

????????pipe函数用于创建一个管道，以实现进程间的通信。fd[0]和fd[1]分别构成管道的两端，其中fd[0]为输出端，fd[1]为写入端。这一对文件描述符都是阻塞的，如果往一个空管道中读取数据，read会一直阻塞，直到管道中有数据可读才会解除阻塞，进而读取数据；而往一个满的管道中写数据，write也会一直阻塞，直到管道有足够多的空间可用时，解除阻塞。

? ? ? ? 另外，如果写端文件描述符fd[1]引用计数为0，即无进程往此管道写数据，那么读端的文件描述符fd[0]的read操作会返回0，即读到文件结束标志EOF；如果读端文件描述符fd[0]引用计数为0，即无进程从此管道读数据，那么写端的文件描述符fd[1]的write操作将失败，并引发SIGPIPE信号。

? ? ? ? （2）dup/dup2函数

#include<unistd.h>
int dup( int file_descriptor );
int dup2( int file_descriptor_one, int file_descriptor_two);

? ? ? ? dup/dup2的作用是可以把标准输入重定向到一个文件，或者把标准输出重定向到一个网络连接。dup函数创建一个新的文件描述符，该文件描述符和原有的文件描述符指向同样的文件、管道或者网络连接。并且dup返回的文件描述符总是取系统当前可用的最小整数值。dup2和dup类似，不过它将返回第一个不小于file_descriptor_two的整数值。dup和dup2系统调用失败时返回-1并设置errno。

? ? ? ? 另外，通过dup或者dup2创建的文件描述符并不继承原文件描述符的的属性，比如close-on-exec和non-blocking等。

? ? ? ? （3）readv函数和writev函数

#include<unistd.h>
ssize_t readv( int fd, const struct iovec* vector, int count);
ssize_t writev( int fd, const struct iovec* vector, int count);

struct iovec{
    void* iov_base;  // 内存起始地址
    size_t iov_len;  // 这块内存的长度
}

? ? ? ? fd参数是将要被操作的文件描述符，vector参数的类型是iovec结构数组，count参数的之vector数组的长度。readv和writev调用成功返回读出/写入fd的字节数，失败返回-1并设置errno。这样的好处是不用拼接分块数据，即可一次读取或写入。

? ? ? ? （4）sendfile函数

#include<sys/sendfile.h>
ssize_t sendfile( int out_fd, int in_fd, off_t* offset, size_t count);

? ? ? ? sendfile函数可以在两个文件描述符之间直接传递数据（完全在内核中操作），从而避免了内核缓冲区和用户缓冲区直接的数据拷贝，效率很高，这被称为零拷贝。

? ? ? ? in_fd参数是待读出内容的文件描述符，out_fd参数的待写入内容的文件描述符。offset参数指定从读入文件流的哪个位置开始读，若为空，则使用读入文件流的默认起始位置。count参数是指in_fd和out_fd之间传输的字节数。sendfile成功返回传输的字节数，失败返回-1并设置errno。

? ? ? ? 需要注意的是：in_fd必须是指向真实的文件，不能是socket和管道；而out_fd则必须是一个socket。

? ? ? ? （5）mmap函数和munmap函数

#include<sys/mman.h>
void* mmap( void* start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset );
int munmap( void* start, size_t length );

? ? ? ? mmap函数用于申请一段内存空间，可以将这段内存作为进程间通信的共享内存，也可以将文件直接映射到其中。munmap函数则是用来释放由mmap函数创建的这段内存空间

? ? ? ? start参数是用户指定地址作为这段内存的起始地址，如果设置为NULL，则系统自动分配，length参数是该内存段的长度，prot参数用来设置内存段的访问权限，可以设置一个，也可以多个按位或，常用的有：PROT_READ,PROT_WRITE,PROT_EXEC,PROT_NONE；flags参数是控制内存段内容被修改后程序的行为，常用的有：MAP_SHARED,MAP_PRIVATE等；fd参数是被映射文件对应的文件描述符；offset参数设置文件从何处开始映射。

? ? ? ? （6）splice函数

#include<fcntl.h>
ssize_t splice(int fd_in, loff_t* off_in, int fd_out, loff_t* off_out, 
                size_t len, unsigned int flags):

? ? ? ? splice可以在两个文件描述符之间移动数据，也是零拷贝操作。fd_in 参数的待输入数据的文件描述符，如果fd_in是一个管道文件描述符，那么off_in参数要设置为NULL，否则off_in表示从输入数据流的当前偏移位置读入。fd_out/off_out参数的含义与fd_in/off_in相同，只不过该参数用于输出数据流。len参数指定移动数据的长度，flags参数则用于控制数据如何移动，常用的值有：SPLICE_F_MOVE,SPLICE_F_NONBLOCK,SPLICE_F_MORE,SPLICE_F_GIFT，可以按位或来设置多个组合。

? ? ? ? 需要注意的是，使用该函数时，fd_in和fd_out必须至少有一个是管道文件描述符。调用成功返回移动字节数，调用失败返回-1并设置errno。

? ? ? ? （7）tee函数

#include<fcntl.h>
ssize_t tee( int fd_in, int fd_out, size_t len, unsigned int flags );

? ? ? ? tee函数在两个管道文件描述符之间复制数据，也是零拷贝操作。它不消耗数据，因此源文件描述符上的数据仍然可以用于后续的读操作。

? ? ? ? fd_in和fd_out参数都必须为管道的文件描述符；len参数指定复制数据的长度，flags参数则用于控制数据如何复制，跟splice函数一样。调用成功返回复制的字节数，失败返回-1，并设置errno。

? ? ? ? （8）fcntl函数

#include<fcntl.h>
int fcntl( int fd, int cmd, ...);

? ? ? ? fcntl(file control)函数，提供了对文件描述符的各种控制操作。fd参数是被操作的文件描述符，cmd参数指定执行何种类型的操作。根据操作类型的不同，该函数可能还需要第三个可选参数arg。在网络编程中，fcntl常用来将一个文件描述符设置为非阻塞。如下面的例子：

int setnonblocking( int fd ){
    int old_option = fcntl( fd, F_GETFL );     // 获取文件描述符旧的状态标志
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;  // 设置非阻塞标志
    fcntl( fd, F_SETFL, new_option );    // 把非阻塞标志作为第三参数输入
    return old_option;    // 返回文件描述符旧的状态，以便日后恢复该状态标志
}

? ? ? ? 以上是各种Linux的高级I/O函数，在网络编程中用得较多。本文参考的是游双的《Linux高性能服务器编程》。