Глава 5. Низкоуровневый ввод-вывод

5.1. Обзор механизмов ввода-вывода в Linux
5.2. Файловые дескрипторы
5.3. Открытие файла: системный вызов open()
5.4. Закрытие файла: системный вызов close()
5.5. Чтение файла: системный вызов read()
5.6. Запись в файл: системный вызов write()
5.7. Произвольный доступ: системный вызов lseek()

 

Обзор механизмов ввода-вывода в Linux

В языке C для осуществления файлового ввода-вывода используются механизмы стандартной библиотеки языка, объявленные в заголовочном файле stdio.h. Как вы вскоре узнаете консольный ввод-вывод - это не более чем частный случай файлового ввода-вывода. В C++ для ввода-вывода чаще всего используются потоковые типы данных. Однако все эти механизмы являются всего лишь надстройками над низкоуровневыми механизмами ввода-вывода ядра операционной системы.

С точки зрения модели КИС (Клиент-Интерфейс-Сервер), сервером стандартных механизмов ввода вывода языка C (printf, scanf, FILE*, fprintf, fputc и т. д.) является библиотека языка. А сервером низкоуровневого ввода-вывода в Linux, которому посвящена эта глава книги, является само ядро операционной системы.

Пользовательские программы взаимодействуют с ядром операционной системы посредством специальных механизмов, называемых системными вызовами (system calls, syscalls). Внешне системные вызовы реализованы в виде обычных функций языка C, однако каждый раз вызывая такую функцию, мы обращаемся непосредственно к ядру операционной системы. Список всех системных вызовов Linux можно найти в файле /usr/include/asm/unistd.h. В этой главе мы рассмотрим основные системные вызовы, осуществляющие ввод-вывод: open(), close(), read(), write(), lseek() и некоторые другие.

Файловые дескрипторы

В языке C при осуществлении ввода-вывода мы используем указатель FILE*. Даже функция printf() в итоге сводится к вызову vfprintf(stdout,...), разновидности функции fprintf(); константа stdout имеет тип struct _IO_FILE*, синонимом которого является тип FILE*. Это я к тому, что консольный ввод-вывод - это файловый ввод-вывод. Стандартный поток ввода, стандартный поток вывода и поток ошибок (как в C, так и в C++) - это файлы. В Linux все, куда можно что-то записать или откуда можно что-то прочитать представлено (или может быть представлено) в виде файла. Экран, клавиатура, аппаратные и виртуальные устройства, каналы, сокеты - все это файлы. Это очень удобно, поскольку ко всему можно применять одни и те же механизмы ввода-вывода, с которыми мы и познакомимся в этой главе. Владение механизмами низкоуровневого ввода-вывода дает свободу перемещения данных в Linux. Работа с локальными файловыми системами, межсетевое взаимодействие, работа с аппаратными устройствами, - все это осуществляется в Linux посредством низкоуровневого ввода-вывода.

Вы уже знаете из предыдущей главы, что при запуске программы в системе создается новый процесс (здесь есть свои особенности, о которых пока говорить не будем). У каждого процесса (кроме init) есть свой родительский процесс (parent process или просто parent), для которого новоиспеченный процесс является дочерним (child process, child). Каждый процесс получает копию окружения (environment) родительского процесса. Оказывается, кроме окружения дочерний процесс получает в качестве багажа еще и копию таблицы файловых дескрипторов.

Файловый дескриптор (file descriptor) - это целое число (int), соответствующее открытому файлу. Дескриптор, соответствующий реально открытому файлу всегда больше или равен нулю. Копия таблицы дескрипторов (читай: таблицы открытых файлов внутри процесса) скрыта в ядре. Мы не можем получить прямой доступ к этой таблице, как при работе с окружением через environ. Можно, конечно, кое-что "вытянуть" через дерево /proc, но нам это не надо. Программист должен лишь понимать, что каждый процесс имеет свою копию таблицы дескрипторов. В пределах одного процесса все дескрипторы уникальны (даже если они соответствуют одному и тому же файлу или устройству). В разных процессах дескрипторы могут совпадать или не совпадать - это не имеет никакого значения, поскольку у каждого процесса свой собственный набор открытых файлов.

Возникает вопрос: сколько файлов может открыть процесс? В каждой системе есть свой лимит, зависящий от конфигурации. Если вы используете bash или ksh (Korn Shell), то можете воспользоваться внутренней командой оболочки ulimit, чтобы узнать это значение.

$ ulimit -n 1024 $

Если вы работаете с оболочкой C-shell (csh, tcsh), то в вашем распоряжении команда limit:

$ limit descriptors descriptors 1024 $

В командной оболочке, в которой вы работаете (bash, например), открыты три файла: стандартный ввод (дескриптор 0), стандартный вывод (дескриптор 1) и стандартный поток ошибок (дескриптор 2). Когда под оболочкой запускается программа, в системе создается новый процесс, который является для этой оболочки дочерним процессом, следовательно, получает копию таблицы дескрипторов своего родителя (то есть все открытые файлы родительского процесса). Таким образом программа может осуществлять консольный ввод-вывод через эти дескрипторы. На протяжении всей книги мы будем часто играть с этими дескрипторами.

Таблица дескрипторов, помимо всего прочего, содержит информацию о текущей позиции чтения-записи для каждого дескриптора. При открытии файла, позиция чтения-записи устанавливается в ноль. Каждый прочитанный или записанный байт увеличивает на единицу указатель текущей позиции. Мы вернемся к этой теме в разделе 5.7.

Открытие файла: системный вызов open()

Чтобы получить возможность прочитать что-то из файла или записать что-то в файл, его нужно открыть. Это делает системный вызов open(). Этот системный вызов не имеет постоянного списка аргументов (за счет использования механизма va_arg); в связи с этим существуют две "разновидности" open(). Не только в С++ есть перегрузка функций;-) Если интересно, то о механизме va_arg можно прочитать на man-странице stdarg (man 3 stdarg) или в книге Б. Кернигана и Д. Ритчи "Язык программирования Си". Ниже приведены адаптированные прототипы системного вызова open().

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

Системный вызов open() объявлен в заголовочном файле fcntl.h. Ниже приведен общий адаптированный прототип open().

int open (const char * filename, int flags,...);

Начнем по порядку. Первый аргумент - имя файла в файловой системе в обычной форме: полный путь к файлу (если файл не находится в текущем каталоге) или сокращенное имя (если файл в текущем каталоге).

Второй аргумент - это режим открытия файла, представляющий собой один или несколько флагов открытия, объединенных оператором побитового ИЛИ. Список доступных флагов приведен в Таблице 4 Приложения 2.. Наиболее часто используют только первые семь флагов. Если вы хотите, например, открыть файл в режиме чтения и записи, и при этом автоматически создать файл, если такового не существует, то второй аргумент open() будет выглядеть примерно так: O_RDWR|O_CREAT. Константы-флаги открытия объявлены в заголовочном файле bits/fcntl.h, однако не стоит включать этот файл в свои программы, поскольку он уже включен в файл fcntl.h.

Третий аргумент используется в том случае, если open() создает новый файл. В этом случае файлу нужно задать права доступа (режим), с которыми он появится в файловой системе. Права доступа задаются перечислением флагов, объединенных побитовым ИЛИ. Вместо флагов можно использовать число (как правило восьмиричное), однако первый способ нагляднее и предпочтительнее. Список флагов приведен в Таблице 1 Приложения 2. Чтобы, например, созданный файл был доступен в режиме "чтение-запись" пользователем и группой и "только чтение" остальными пользователями, - в третьем аргументе open() надо указать примерно следующее: S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH или 0664. Флаги режима доступа реально объявлены в заголовочном файле bits/stat.h, но он не предназначен для включения в пользовательские программы, и вместо него мы должны включать файл sys/stat.h. Тип mode_t объявлен в заголовочном файле sys/types.h.

Если файл был успешно открыт, open() возвращает файловый дескриптор, по которому мы будем обращаться к файлу. Если произошла ошибка, то open() возвращает -1. Позже, в последующих главах книги мы научимся распознавать ошибки системных вызовов.