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
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。
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。
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。
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。
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 |
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。
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 |
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）。
算法（圖解）)
