linux -- read(), write()

read()函數??

2011-03-23 16:28:37|??分類：?linux?|??標簽：?|字號大中小?訂閱

read
函數從打開的設備或文件中讀取數據。

#include <unistd.h>    

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);  

返回值：成功返回讀取的字節數，出錯返回-1并設置errno，如果在調read之前已到達文件末尾，則這次read返回0

參數
count
是請求讀取的字節數，讀上來的數據保存在緩沖區buf中，同時文件的當前讀寫位置向后移。注意這個讀寫位置和使用C標準I/O庫時的讀寫位置有可能不同，這個讀寫位置是記在內核中的，而使用C標準I/O庫時的讀寫位置是用戶空間I/O緩沖區中的位置。比如用fgetc讀一個字節，fgetc有可能從內核中預讀1024個字節到I/O緩沖區中，再返回第一個字節，這時該文件在內核中記錄的讀寫位置是1024，而在FILE結構體中記錄的讀寫位置是1。注意返回值類型是ssize_t，表示有符號的size_t，這樣既可以返回正的字節數、0（表示到達文件末尾）也可以返回負值-1（表示出錯）。
read函數返回時，返回值說明了buf中前多少個字節是剛讀上來的。有些情況下，實際讀到的字節數（返回值）會小于請求讀的字節數count，例如：讀常規文件時，在讀到count個字節之前已到達文件末尾。例如，距文件末尾還有30個字節而請求讀100個字節，則read返回30，下次read將返回0。

從終端設備讀，通常以行為單位，讀到換行符就返回了。

從網絡讀，根據不同的傳輸層協議和內核緩存機制，返回值可能小于請求的字節數，后面socket編程部分會詳細講解。

write
函數向打開的設備或文件中寫數據。

#include <unistd.h>   

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);  

返回值：成功返回寫入的字節數，出錯返回-1并設置errno寫常規文件時，write的返回值通常等于請求寫的字節數
count，而向終端設備或網絡寫則不一定。

讀常規文件是不會阻塞的，不管讀多少字節，read一定會在有限的時間內返回。從終端設備或網絡讀則不一定，如果從終端輸入的數據沒有換行符，調用read讀終端設備就會阻塞，如果網絡上沒有接收到數據包，調用read從網絡讀就會阻塞，至于會阻塞多長時間也是不確定的，如果一直沒有數據到達就一直阻塞在那里。同樣，寫常規文件是不會阻塞的，而向終端設備或網絡寫則不一定。

現在明確一下阻塞（Block）這個概念。當進程調用一個阻塞的系統函數時，該進程被置于睡眠（Sleep）狀態，這時內核調度其它進程運行，直到該進程等待的事件發生了（比如網絡上接收到數據包，或者調用sleep指定的睡眠時間到了）它才有可能繼續運行。與睡眠狀態相對的是運行（Running）狀態，在Linux內核中，處于運行狀態的進程分為兩種情況：

正在被調度執行。CPU處于該進程的上下文環境中，程序計數器（eip）里保存著該進程的指令地址，通用寄存器里保存著該進程運算過程的中間結果，正在執行該進程的指令，正在讀寫該進程的地址空間。

就緒狀態。該進程不需要等待什么事件發生，隨時都可以執行，但CPU暫時還在執行另一個進程，所以該進程在一個就緒隊列中等待被內核調度。系統中可能同時有多個就緒的進程，那么該調度誰執行呢？內核的調度算法是基于優先級和時間片的，而且會根據每個進程的運行情況動態調整它的優先級和時間片，讓每個進程都能比較公平地得到機會執行，同時要兼顧用戶體驗，不能讓和用戶交互的進程響應太慢。

下面這個小程序從終端讀數據再寫回終端。

例 28.2. 阻塞讀終端

#include <unistd.h>  

#include <stdlib.h>    

int main(void)  {

   char buf[10];

   int n;

   n = read(STDIN_FILENO, buf, 10);

   if (n < 0) {

    perror("read STDIN_FILENO");

    exit(1);

   }

   write(STDOUT_FILENO, buf, n);

   return 0;  }

執行結果如下：

$ ./a.out   hello（回車）  hello  

$ ./a.out   hello world（回車）  hello 

worl$ d  bash: d: command not found

第一次執行a.out的結果很正常，而第二次執行的過程有點特殊，現在分析一下：

Shell進程創建a.out進程，a.out進程開始執行，而Shell進程睡眠等待a.out進程退出。

a.out調用read時睡眠等待，直到終端設備輸入了換行符才從read返回，read只讀走10個字符，剩下的字符仍然保存在內核的終端設備輸入緩沖區中。

a.out
進程打印并退出，這時Shell進程恢復運行，Shell繼續從終端讀取用戶輸入的命令，于是讀走了終端設備輸入緩沖區中剩下的字符d和換行符，把它當成一條命令解釋執行，結果發現執行不了，沒有d這個命令。

如果在open一個設備時指定了O_NONBLOCK標志，read/write就不會阻塞。以read為例，如果設備暫時沒有數據可讀就返回-1，同時置errno為EWOULDBLOCK（或者EAGAIN，這兩個宏定義的值相同），表示本來應該阻塞在這里（would block，虛擬語氣），事實上并沒有阻塞而是直接返回錯誤，調用者應該試著再讀一次（again）。這種行為方式稱為輪詢（Poll），調用者只是查詢一下，而不是阻塞在這里死等，這樣可以同時監視多個設備：

while(1) {
非阻塞read(設備1);
if(設備1有數據到達)
? 處理數據;
非阻塞read(設備2);
if(設備2有數據到達)
? 處理數據;
...
}

如果
read(設備1)
是阻塞的，那么只要設備1沒有數據到達就會一直阻塞在設備1的
read
調用上，即使設備2有數據到達也不能處理，使用非阻塞I/O就可以避免設備2得不到及時處理。

非阻塞I/O有一個缺點，如果所有設備都一直沒有數據到達，調用者需要反復查詢做無用功，如果阻塞在那里，操作系統可以調度別的進程執行，就不會做無用功了。在使用非阻塞I/O時，通常不會在一個while循環中一直不停地查詢（這稱為Tight Loop），而是每延遲等待一會兒來查詢一下，以免做太多無用功，在延遲等待的時候可以調度其它進程執行。

while(1) {

   非阻塞read(設備1);

   if(設備1有數據到達)    處理數據;

   非阻塞read(設備2);

   if(設備2有數據到達)    處理數據;

   ...   sleep(n);

  }

這樣做的問題是，設備1有數據到達時可能不能及時處理，最長需延遲n秒才能處理，而且反復查詢還是做了很多無用功。以后要學習的select(2)函數可以阻塞地同時監視多個設備，還可以設定阻塞等待的超時時間，從而圓滿地解決了這個問題。

以下是一個非阻塞I/O的例子。目前我們學過的可能引起阻塞的設備只有終端，所以我們用終端來做這個實驗。程序開始執行時在0、1、2文件描述符上自動打開的文件就是終端，但是沒有O_NONBLOCK標志。所以就像例 28.2 “阻塞讀終端”一樣，讀標準輸入是阻塞的。我們可以重新打開一遍設備文件/dev/tty（表示當前終端），在打開時指定
O_NONBLOCK標志。

例 28.3. 非阻塞讀終端

#include <unistd.h>  

#include <fcntl.h>  

#include <errno.h>  

#include <string.h>  

#include <stdlib.h>    

#define MSG_TRY "try again\n"    

int main(void)  {

   char buf[10];

   int fd, n;

   fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK);

   if(fd<0) {

    perror("open /dev/tty");

    exit(1);

   }

  tryagain:

   n = read(fd, buf, 10);

   if (n < 0) {

    if (errno == EAGAIN) {

     sleep(1);

     write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));

     goto tryagain;

    }

     perror("read /dev/tty");

    exit(1);

   }

   write(STDOUT_FILENO, buf, n);

   close(fd);

   return 0;

  }

以下是用非阻塞I/O實現等待超時的例子。既保證了超時退出的邏輯又保證了有數據到達時處理延遲較小。

例 28.4. 非阻塞讀終端和等待超時

#include <unistd.h> 

#include <fcntl.h>  

#include <errno.h> 

#include <string.h> 

#include <stdlib.h>   

#define MSG_TRY "try again\n"  

#define MSG_TIMEOUT "timeout\n"    

int main(void)  {

   char buf[10];

   int fd, n, i;

   fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK);

   if(fd<0) {

    perror("open /dev/tty");

    exit(1);

   } 

  for(i=0; i<5; i++) {

    n = read(fd, buf, 10);

    if(n>=0)     break;

    if(errno!=EAGAIN) {

     perror("read /dev/tty");

     exit(1); 

   } 

   sleep(1);

    write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));

   } 

  if(i==5)

     write(STDOUT_FILENO, MSG_TIMEOUT, strlen(MSG_TIMEOUT));

  else 

    write(STDOUT_FILENO, buf, n);

   close(fd);

   return 0;

  }