第2章 文件I/O
本章以及后续的3个章节将介绍文件相关的内容。UNIX系统主要是通过文件表示的，因此这些章节的探讨会涉及UNIX系统的核心。本章介绍了文件I/O的基本要素，详细阐述了最简单也是最常见的文件交互方式——系统调用。第3章基于标准C库描述标准I/O，第4章继续探讨更高级和专业的文件I/O接口。第8章以文件和目录操作为主题结束了文件相关的探讨。
在对文件进行读写操作之前，首先需要打开文件。内核会为每个进程维护一个打开文件的列表，该列表称为文件表（file table）。文件表是由一些非负整数进行索引，这些非负整数称为文件描述符（file descriptors，简称fds）。列表的每一项是一个打开文件的信息，包括指向该文件索引节点（inode）内存拷贝的指针以及关联的元数据，如文件位置指针和访问模式。用户空间和内核空间都使用文件描述符作为唯一cookies：打开文件会返回文件描述符，而后续操作（读写等）都把文件描述符作为基本参数。
文件描述符使用C语言的int类型表示。没有使用特殊类型来表示文件描述符显得有些怪异，但实际上，这种表示方式正是继承了UNIX传统。每个Linux进程可打开的文件数是有上限的。文件描述符的范围从0开始，到上限值减1。默认情况下，上限值为1 024，但是可以对它进行配置，最大为1 048 576。因为负数不是合法的文件描述符，所以当函数出错不能返回有效的文件描述符时，通常会返回-1。
按照惯例，每个进程都至少包含三个文件描述符：0、1和2，除非显式关闭这些描述符。文件描述符0表示标准输入（sdtin），1表示标准输出（stdout），2表示标准错误（stderr）。Linux C标准库没有直接引用这些整数，而是提供了三个宏，分别是：STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO。一般而言，stdin是连接到终端的输入设备（通常是用户键盘），而stdout和stderr是终端的屏幕。用户可以重定向这些文件描述符，甚至可以通过管道把一个程序的输出作为另一个程序的输入。shell正是通过这种方式实现重定向和管道的。
值得注意的是，文件描述符并非局限于访问普通文件。实际上，文件描述符也可以访问设备文件、管道、快速用户空间互斥（futexes）[1]、先进先出缓冲区（FIFOs）和套接字（socket）。遵循一切皆文件的理念，几乎任何能够读写的东西都可以通过文件描述符来访问。
默认情况下，子进程会维护一份父进程的文件表副本。在该副本中，打开文件列表及其访问模式、当前文件位置以及其他元数据，都和父进程维护的文件表相同，但是存在一点区别：即当子进程关闭一个文件时，不会影响到父进程的文件表。虽然一般情况下子进程会自己持有一份文件表，但是子进程和父进程也可以共享文件表（类似于线程间共享），在第5章将对此进行更详细的介绍。
2.1 打开文件
最基本的文件访问方法是系统调用read()和write()。但是，在访问文件之前，必须先通过open()或creat()打开该文件。一旦完成文件读写，还应该调用系统调用close()关闭该文件。
2.1.1 系统调用open()
通过系统调用open()，可以打开文件并获取其文件描述符：
如果系统调用open()执行成功，会返回文件描述符，指向路径名name所指定的文件。文件位置即文件的起始位置（0），文件打开方式是根据参数flags值来确定的。
open()的flags参数
flags参数是由一个或多个标志位的按位或组合。它支持三种访问模式：O_RDONLY、O_WRONLY或O_RDWR，这三种模式分别表示以只读、只写或读写模式打开文件。
举个例子，以下代码以只读模式打开文件/home/kidd/madagascar：
不能对以只读模式打开的文件执行写操作，反之亦然。进程必须有足够的权限才能调用系统调用来打开文件。举个例子，假设用户对某个文件只有只读权限，该用户的进程只能以O_RDONLY模式打开文件，而不能以O_WRONLY或O_RDWR模式打开。
flags参数还可以和下面列出的这些值进行按位或运算，修改打开文件的行为：
O_APPEND
文件将以追加模式打开。也就是说，在每次写操作之前，将会更新文件位置指针，指向文件末尾。即使有另一个进程也在向该文件写数据，以追加模式打开的进程在最后一次写操作时，还是会更新文件位置指针，指向文件末尾（参见2.3.2小节）。
O_ASYNC
当指定的文件可读或可写时，会生成一个信号（默认是SIGIO）。O_ASYNC标志位只适用于FIFO、管道、socket和终端，不适用于普通文件。
O_CLOEXEC
在打开的文件上设置“执行时关闭”标志位。在执行新的进程时，文件会自动关闭。设置O_CLOEXEC标志位可以省去调用fcntl()来设置标志位，且避免出现竞争。Linux内核2.6.23以上的版本才提供该标志位。
O_CREAT
当参数name指定的文件不存在时，内核自动创建。如果文件已存在，除非指定了标志位O_EXCL，否则该标志位无效。
O_DIRECT
打开文件用于直接I/O（参见2.5节）。
O_DIRECTORY
如果参数name不是目录，open()调用会失败。该标志位被置位时，内部会调用opendir()。
O_EXCL
当和标志位O_CREAT一起使用时，如果参数name指定的文件已经存在，会导致open()调用失败。用于防止创建文件时出现竞争。如何没有和标志位O_CREAT一起使用，该标志位就没有任何含义。
O_LARGEFILE
文件偏移使用64位整数表示，可以支持大于2GB的文件。64位操作系统中打开文件时，默认使用该参数。
O_NOATIME+
在读文件时，不会更新该文件的最后访问时间。该标志位适用于备份、索引以及类似的读取系统上所有文件的程序，它可以避免为了更新每个文件的索引节点而导致的大量写操作。Linux内核2.6.8以上的版本才提供该标志位。
O_NOCTTY
如果给定的参数name指向终端设备（比如/dev/tty），它不会成为这个进程的控制终端，即使该进程当前没有控制终端。该标志位很少使用。
O_NOFOLLOW
如果参数name指向一个符号链接，open()调用会失败。正常情况下，指定该标志位会解析链接并打开目标文件。如果给定路径的子目录也是链接，open()调用还是会成功。举个例子，假设name值为/etc/ship/plank.txt，如果plank.txt是个符号链接， open()会失败；然而，如果etc或ship是符号链接，只要plank.txt不是符号链接，调用就会成功。
O_NONBLOCK
文件以非阻塞模式打开。不管是open()调用还是其他操作，都不会导致进程在I/O中阻塞（sleep）。这种情况只适用于FIFO。
O_SYNC
打开文件用于同步I/O。在数据从物理上写到磁盘之前，写操作都不会完成；普通的读操作已经是同步的，因此该标志位对读操作无效。POSIX还另外定义了两个标志位O_DSYNC和O_RSYNC，在Linux系统中，这些标志位和O_SYNC含义相同（参见2.4.3节）。
O_TRUNC
如果文件存在，且是普通文件，并且有写权限，该标志位会把文件长度截断为0。对于FIFO或终端设备，该标志位无效，对于其他文件类型，其行为是未定义。因为对文件执行截断操作，需要有写权限，所以如果文件是只读，指定标志位O_TRUNC，行为也是未定义的。
举个例子，以下代码会打开文件/home/teach/pearl，用于写操作。如果文件已经存在，该文件长度会被截断为0；由于没有指定标志位O_CREAT，如果文件不存在，该open调用会失败：
2.1.2 新建文件的所有者
确定新建文件的所有者很简单：文件所有者的uid即创建该文件的进程的有效uid。
确定新建文件的用户组则相对复杂些。默认情况下，使用创建进程的有效gid。System V是通过这种方式确定，Linux的很多行为都是以System V为模型，因此标准Linux也采用这种处理方式。
但是问题在于，BSD定义了自己的行为方式：新建文件的用户组会被设置成其父目录的gid。在Linux上可以通过挂载选项[2]实现这一点——在Linux上，如果文件的父目录设置了组ID（setgid）位，默认也是这种行为。虽然大多数Linux系统会采用System V行为（新建的文件使用创建进程的gid），但BSD行为（新建文件接收父目录的gid）也有存在的可能，这意味着对于那些对新建文件的所属组非常关注的代码，需要通过系统调用fchown()手动设置所属组（参见第8章）。
幸运的是，大部分时候不需要关心文件的所属组。
2.1.3 新建文件的权限
前面给出的两种open()系统调用方式都是合法的。除非创建了新文件，否则会忽略参数mode；如果给定O_CREAT参数，则需要该参数。在使用O_CREAT参数时如果没有提供参数mode，结果是未定义的，而且通常会很糟糕——所以千万不要忘记！
当创建文件时，参数mode提供了新建文件的权限。对于新建的文件，打开文件时不会检查权限，因此可以执行与权限相反的操作，比如以只读模式打开文件，却在打开后执行写操作。
参数mode是常见的UNIX权限位集合，比如八进制数0644（文件所有者可以读写，其他人只能读）。从技术层面看，POSIX是根据具体实现确定值，支持不同的UNIX系统设置自己想要的权限位。但是，每个UNIX系统对权限位的实现都采用了相同的方式。因此，虽然技术上不可移植，但在任何系统上指定0644或0700效果都是一样的。
为了弥补mode中比特位的不可移植性，POSIX引入了一组可以按位操作的常数，按位结果提供给参数mode：
S_IRWXU
文件所有者有读、写和执行的权限。
S_IRUSR
文件所有者有读权限。
S_IWUSR
文件所有者有写权限。
S_IXUSR
文件所有者有执行权限。
S_IRWXG
组用户有读、写和执行权限。
S_IRGRP
组用户有读权限。
S_IWGRP
组用户有写权限。
S_IXGRP
组用户有执行权限。
S_IRWXO
任何人都有读、写和执行的权限。
S_IROTH
任何人都有读权限。
S_IWOTH
任何人都有写权限。
S_IXOTH
任何人都有执行权限。
实际上，最终写入磁盘的权限位是由mode参数和用户的文件创建掩码（umask）执行按位与操作而得到。umask是进程级属性，通常是由login shell设置，通过调用umask()来修改，支持用户修改新创建的文件和目录的权限。在系统调用open()中，umask位要和参数mode取反。因此，umask 022和mode参数0666取反后，结果是0644。对于系统程序员，在设置权限时通常不需要考虑umask——umask是为了支持用户限制程序对于新建文件的权限设置。
举个例子，以下代码会对文件file执行写操作。如果文件不存在，假定umask值为022，文件在创建时指定权限为0644（虽然参数mode值为0664）。如果文件已存在，其长度会被截断为0：
为了代码可读性（以可移植性为代价，至少理论上如此），这段代码可以改写成如下，其效果完全相同：
2.1.4 creat()函数
OWRONLY | O_CREAT | O**TRUNC 的组合经常被使用，因而专门有个系统调用提供这个功能：
诚如你所看到的，函数名creat的确少了个e。UNIX之父Ken Thompson曾开玩笑说他在UNIX设计中感到最遗憾的就是漏掉了这个字母。
典型的creat()调用如下：
这段代码等效于：
在绝大多数Linux架构[3]中，creat()是个系统调用，虽然在用户空间也很容易实现：
这是一个历史遗留问题，因为之前open()函数只有两个参数，所以也设计了creat()函数。当前，为了向后兼容，仍然保留creat()这个系统调用。在新的体系结构中，creat()可以实现成调用open()的库函数调用，如上所示。
2.1.5 返回值和错误码
系统调用open()和creat()在成功时都会返回文件描述符。出错时，返回-1，并把errno设置成相应的错误值（第1章讨论了errno并列出了可能的错误值）。处理文件打开的错误并不复杂，一般来说，在打开文件之前没有什么操作，因此不太需要执行撤销。典型的处理方式是提示用户换个文件名或直接终止程序。