文章目錄

• 創建文件描述符的函數
• • pipe函數
  • dup函數、dup2函數
• 讀取或寫入數據
• • readv函數、writev函數
• 零拷貝
• • sendfile函數
  • splice函數
  • tee函數
• 進程間通信——共享內存
• • mmap函數 和 munmap函數
• 控制文件描述符
• • fcntl函數

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創建文件描述符的函數

pipe函數

不再贅述，詳情見我的另一篇博客。

值得一提的是，socket 基礎API中有一個 socketpair函數，能夠方便地創建雙向管道：

#include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> int socketpair(int domain, int type, int protocol, inf fd[2]); // domain只能使用 UNIX 本地域協議族 AF_UNIX，因為我們僅能在本地使用這個雙向管道。 // 成功時返回0，失敗時返回-1并設置error。

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dup函數、dup2函數

這兩個函數會在 CGI服務器 中用到。CGI服務器： 主要是通過把服務器本地標準輸入、輸出或者文件重定向到網絡連接中，以達到向標準輸入、輸出緩沖區中輸入的信息，能在網絡連接中發送的效果。

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

• dup： 創建一個新的文件描述符，該文件描述符和原有文件描述符 file_descriptor 指向相同的文件、管道或網絡連接。返回的文件描述符總是取系統當前可用的最小整數值。
• dup2： 與 dup 類似，只是返回第一個不小于 file_descriptor_two 的整數值。

兩個系統調用失敗時都返回 -1，并設置 error。

通過 dup 和 dup2 創建的文件描述符并不繼承原文件描述符的屬性。比如：close-on-exec 和 non-blocking 等。

用 dup 實現一個基本的 CGI服務器 的局部代碼：

close( STDOUT_FILENO ); dup( connfd ); printf( "hello\n" ); close( connfd );

流程：

先關閉標準輸出文件描述符 STDOUT_FILENO （其值是1）；

通過 dup 復制 socket 文件描述符 connfd ；

由于 dup 總是返回系統中最小的可用文件描述符，所以它的返回值實際上是 1 ，即之前關閉的標準輸出文件描述符的值；

服務器輸出到標準輸出的內容（“hello”）就會直接發送到與客戶端對應的 socket 上，因此 printf 調用的輸出將被客戶端獲得，而不是顯示在服務器程序的終端上。

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讀取或寫入數據

readv函數、writev函數

• readv函數： 將數據從文件描述符讀到分散的內存塊中，即分散讀；
• writev函數： 將多塊分配的內存數據一并寫入文件描述符中，即集中寫。

相當于簡化版的 recvmsg 和 sendmsg 。

#include<sys/uio.h> ssize_t readv( int fd, const struct iovec* vector, int count ); ssize_t weitev( int fd, const struct iovec* vector, int count ); // fd：被操作的目標文件描述符 // vector：iovec結構數組，iovec封裝了一塊內存的起始位置和長度 // count：vector數組的長度，即有多少塊內存數據需要從fd讀出或寫入到fd // 成功時返回讀出/寫入fd的字節數，失敗則返回-1并試著errno。

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零拷貝

sendfile函數

sendfile函數： 用于在兩個文件描述符之間直接傳遞數據（完全在內核中操作），從而避免了內核緩沖區和用戶緩沖區之間的數據拷貝，效率很高。被稱為 零拷貝。

#include<sys/sendfile.h> ssize_t sendfile( int out_fd, int in_fd, off_t* offset, size_t count ); // out_fd：待寫入內容的文件描述符，必須是一個socket // in_fd：待讀出內容的文件描述符，必須是一個支持類似mmap函數的文件描述符，即必須指向真實的文件，不能是socket和管道 // offset：指定從讀入文件流的哪個位置開始讀，如果為空，則使用讀入文件流默認的起始位置 // count：傳輸的字節數 // 成功時返回傳輸的字節數，失敗返回-1，并設置errno

sendfile 幾乎是專門為在網絡上傳輸文件而設計的。

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splice函數

splice函數： 本質就是借助管道描述符在兩個文件之間移動數據，也是零拷貝。

#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 ); // fd_in：待輸入數據的文件描述符 // off_in：如果fd_in是一個管道描述符，那么off_in必須被設置為NULL；反之，如果fd_in不是一個管道描述符（如socket），那么off_in表示從輸入數據流開始讀取數據的起始位置。總而言之，若off_in不為NULL，則它將指出具體的偏移位置。 // fd_out/off_out：與fd_in/off_in類似，不過用于輸出數據流。 // len：移動數據的長度 // flags：控制數據的移動方式

使用 splic函數 時 fd_in 和 fd_out 必須至少有一個是管道文件描述符。splice函數 調用成功時返回移動字節的數量。可能返回 0，表示沒有數據需要移動，這發生在從管道中讀取數據（fd_in 是管道文件描述符）而管道沒有被寫入任何數據時（fd_out 不是管道文件描述符）。splice函數失敗時返回 -1 并設置 errno 。

常見的 errno ：

errno含義

EBADF	參數所指文件描述符有錯
ENOMEM	內存不夠
EINVAL	目標文件系統不支持splice，或者目標文件以追加方式打開，或者兩個文件描述符都不是管道文件描述符，或者某個 offset 參數被用于不支持隨機訪問的設備（如字符設備）
ESPIPE	參數 fd_in(或fd_out) 是管道文件描述符，而 off_in(或off_out) 不為NULL

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tee函數

tee函數： 兩個管道文件描述符之間的 零拷貝。它不消耗數據，因此源文件描述符上的數據仍可以用于后續的讀操作。

#include<fcntl.h> ssize_t tee(int fd_in, int fd_out, size_t len, unsigned int flags); // 參數含義同splice，但 fd_in 和 fd_out 必須同時是管道文件描述符 // 成功時返回兩個文件之間復制的數據數量（字節數），返回0表示沒有復制任何數據，tee失敗返回-1并設置errno。

tee 常和 splice 一起用，splice 將非管道與管道綁定，tee 將 splice 操作后得到的管道綁定在一起。

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進程間通信——共享內存

mmap函數 和 munmap函數

• mmap函數： 申請一段內存空間作為進程間通信的共享內存，也可以將文件直接映射到其中。
• munmap函數： 釋放由 mmap 創建的內存空間。

#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 ); // start：起始地址，為NULL時由系統自動分配一個地址。 // length：指定內存段的長度。 // prot：設置內粗段的訪問權限，可取以下值的按位或： // PROT_READ，內存段可讀。 // PROT_WRITE，內存段可寫。 // PROT_EXEC，內存段可執行。 // PROT_NONE，內存段不能被訪問。 // flags：控制內存段內容被修改后程序的行為。 // fd：被映射文件對應的文件描述符，一般通過open調用獲得。 // offset：參數設置從文件的何處開始映射（對于不需要讀入整個文件的情況）。 // 成功時返回0，失敗返回-1并設置errno。

mmap 的 flags 參數的常用值及其含義：

常用值含義

MAP_SHARED	進程間共享這段內存，對該內存段的修改將反映到被映射的文件中。提供了進程間共享內存的 POSIX 方法
MAP_PRIVATE	內存段為調用進程所私有，所有修改不會反映到被映射的文件中
MAP_ANONYMOUS	這段內存不是從文件映射而來的，其內容被初始化為全0。此時 mmap 最后兩個參數將被忽略。
MAP_FIXED	內存段必須位于 start 指定的地址處，start 必須是內存頁面大小（4096字節=4KB）的整數倍
MAP_HUGETLB	按照“大內存頁面”來分配內存空間，“大內存頁面”由 /proc/meminfo 文件來擦查看

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控制文件描述符

fcntl函數

fcntl函數： 全名 file control ，提供了對文件描述符的各種控制操作（類似于系統調用 ioctl，但 ioctl 比 fcntl 提供的控制更多。）但是 fcntl 是 POSIX 規定的首選方法。

#include<fcntl.h> int fcntl(int fd, int cmd, ...); // fd：被操作的文件描述符 // cmd：執行何種操作 // 有可能需要第三個可選參數 arg // 成功時返回值根據操作不同有所不同，失敗時返回-1并設置errno

將文件描述符設置為非阻塞的：

int setnonblocking( int fd ){// F_GETFL 獲取 fd 的標志，成功時返回 fd 的標志int old_option = fcntl(fd, F_GETFL); // 獲取文件描述符舊的狀態標志int new_option = old_option | O_NONBLOCK; // 設置非阻塞標志fcntl(fd, F_SETFL, new_option); // F_SETFL 設置 fd 的標志return old_option; // 返回文件描述符舊的狀態標志，以便日后恢復該狀態標志 }

題外話：SIGIO 和 SIGURG 這兩個信號與其他 Linux 信號不同，他們必須與某個文件描述符相關聯方可使用：

• 被關聯文件描述符可讀或可寫時，系統將觸發 SIGIO 信號。
• 被關聯文件描述符是一個 socket 且有帶外數據可讀時，系統將觸發 SIGURG 信號。

這兩個信號就是通過 fcntl函數 與文件描述符關聯的，具體做法是：fcntl函數 為目標文件描述符指定宿主進程或進程組，被指定的宿主進程或進程組去捕獲這兩個信號。

特別的，使用 SIGIO 時，還需利用 fcntl 設置其 O_ASYNC標志（異步I/O標志，不過SIGIO信號模型并非真正意義上的異步I/O模型）。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux | 高级I/O函数的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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