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Linux系統下I/O

一、I/O簡介

I/O（輸入/輸出）是在主存和外部設備（磁盤驅動器、網絡、終端）之間復制數據的過程。輸入是從外部設備復制到主存，輸出是從主存復制到外部設備。

在Linux系統中所有的I/O設備都被映射稱為文件，所有的輸入輸出都被當做相應文件的讀和寫來執行，所以內核提供了系統級的I/O函數接口，使得所有輸入輸出都以統一且一致的方式來執行。

打開文件，返回一個非負整數，叫做描述符
每個進程都默認打開三個描述符，標準輸入 STDIN_FILENO（描述符0）、標準輸出 STDOUT_FILENO（描述符1）、標準出錯 STDERR_FILENO（描述符2）。
讀寫文件，讀就是從文件復制n個字節到內存，寫就是從內存復制n個字節到文件。
文件偏移：默認打開文件是從文件開頭起始的字節偏移量，可以使用seek來操作。
關閉文件。

今天從四個方面來說I/O，文件I/O、標準I/O庫、高級I/O、終端I/O。

文件I/O: 文件的打卡、讀寫、關閉、偏移。
標準I/O庫：Linux提供的標準I/O庫函數
高級I/O：非阻塞I/O、I/O多路轉接、異步I/O
終端I/O: 更改終端屬性操作的函數

二、文件I/O

Linux系統中文件I/O一般只用到以下五個函數：open、read、write、lseek、close。每次read、write都是一次系統調用（從用戶層拷貝到內核層再拷貝到用戶層）且不帶緩沖。

文件描述符

對于內核而言，每個打開的文件都是通過文件描述符引用的，每個文件描述符都是一個非負整數，打開或者創建一個文件都會返回一個文件描述符，通過這個文件描述符來進行讀寫，

打開/創建文件

#include
#include
#include

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
功能：創建或者打開一個文件，返回一個文件描述符
參數： pathname：路徑名/文件名
flags：標志位
O_RDONLY 只讀

O_WRONLY 只寫

O_RDWR 既可以讀也可以寫

O_APPEND 以追加的方式操作文件

O_CREAT 如果文件不存在，則創建

O_TRUNC 如果文件存在，則清空文件的數據

O_EXCL 表示文件已經存在，而又重復創建一次，open函數會返回錯誤，
返回文件已經存在的錯誤，對錯誤做處理之后，直接打開文件就可以

O_APPEND 從文件末尾位置追加寫入

O_SYNC 每次write等物理I/O操作完成，包括由該write操作引起的文件屬性更新所需的I/O，（后邊會用到）

O_RSYNC 每個以文件描述符作為參數進行的read操作等待，直到所有對文件同一部分掛起的寫操作都完成。

mode：如果是創建一個文件，需要添加對應文件的屬性，模式屬性一般用一個八進制數代替，如果屬性成立，為1，不成立，則為0
rwxr-x-wx --> 0753
rw-rw-r-- --> 0664

返回值：成功：文件描述符
失敗：-1

關閉文件

關閉一個文件時會自動釋放加在該文件上的所有鎖，當進程終止時會自動關閉所有打開的文件。

#include

int close(int fd);
參數：fd：open返回的文件描述符
返回值：成功 0，失敗 -1.

文件偏移

通常所有讀寫操作都是從當前文件偏移量處開始，并使偏移量增加讀寫的字節數，默認是0。可以使用lseek顯式打開文件設置偏移量。

#include
#include

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
參數：fd ： open函數打開的文件
offset：與whence有關
whence：基準點
SEEK_SET 將讀寫位置指向文件頭后再增加offset個位移量。
SEEK_CUR 以目前的讀寫位置往后增加offset個位移量。
SEEK_END 將讀寫位置指向文件尾后再增加offset個位移量（使用該參數可以算出文件字節數）
當whence 值為SEEK_CUR 或SEEK_END時，參數offet允許負值的出現。
返回值：成功，返回文件偏移量，失敗 -1.
注釋：文件偏移量可以大于文件長度，這樣就會構成空洞文件，對于多出的這些字節被讀出為0.空洞文件在磁盤中不占用存儲區。

讀文件

#include

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
參數：
fd：文件描述符
buf：讀取到的數據
const：每一次最多讀取到的字節數
返回值：
成功：讀取的字節數如果是0 代表結尾
失敗：-1

寫文件

#include

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
功能：向一個文件描述符寫數據
參數：
fd：文件描述符
buf：要寫入的數據
const：每一次最多寫入到的字節數
返回值：
成功：寫入的字節個數
失敗：-1
失敗原因多是磁盤已滿或者超過一個給定進程的文件長度限制。

文件共享

Linux系統支持不同進程間共享打開文件，在此先說一下內核用于所以I/O的數據結構。

內核使用三種數據結構表示打開的文件，他們之間的關系決定了文件共享中一個進程對另一個進程的影響。首先每個進程在進程表中有一個記錄項，每個記錄項包含一張打開的文件描述符，每個描述符占用一項，與文件描述符有關的是：

1.文件描述符標志

2.指向文件表項的指針

其次內核為每個打開文件維持一張文件表，文件表項包含：

1.文件狀態標志（讀、寫、阻塞等）

2.當前文件偏移量

3.指向該文件v節點表項指針     最后每個打開文件（設備）都有一個v節點結構，它包含了：

     1.文件類型

     2.對該文件進行各種操作的指針。

     3.i節點（i-node），包含了文件的長度、所以者、指向文件實際數據塊在磁盤的位置。

這些信息都是在打開文件時候從磁盤拷貝到內存，所以這些信息都是隨時可用的。總結一下這三張表關系

進程表項： fd標志
文件指針（文件表項）：文件狀態標志
當前文件偏移量
v節點指針（v節點表項）： v節點信息
v_data: i節點（i節點表項）： i節點信息
當前文件長度

了解了內核的這三個數據結構之后我們回過頭來看文件共享。

假定一個進程打開了一個文件，返回文件描述符是4，另一個進程也打開了這個文件描述符返回的文件描述符是5，打開該文件的每個進程都有一個文件表項（進程對該文件的當前偏移量），但是該文件只有一個v節點。

每當write之后，文件表項中擔負起偏移量會增加寫入的字節數，如果當前文件偏移量超出了當前文件長度則i節點表項中文件長度也增加。
如果使用O_APPEND打開一個文件，相應的標志被設置到文件表項中的文件狀態標志，每次對該文件寫操作時，文件表項中當前文件偏移量會被設置為i節點表項的文件長度。
當使用lseek函數定位到文件尾端時候，文件表項中的當前文件偏移量被設置為i節點表項中的文件長度。
存在多個文件描述符指向同一個文件的情況。

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原子操作

當有多個進程操作一個文件時候為了數據同步Linux系統提供了原子操作。

1.open一個文件時候使用 O_APPEND 標志

2.使用pread 和 pwrite 函數 pread/pwrite 相當于調用lseek之后調用read/write，但是區別在于調用pread/pwrite時，無法中斷其定位和讀寫操作，而且不更新當前文件的偏移量。

#include

ssize_t pread(int fd, void *buf, size_t count, off_t offset);
功能：讀文件
參數：fd：文件描述符
buf：讀緩沖區
count：緩沖區大小
offset：偏移量
返回值：成功：讀到的字節數，如果讀到文件尾返回0，失敗-1

ssize_t pwrite(int fd, const void *buf, size_t count, off_t offset);
功能：寫文件
參數：fd：文件描述符
buf：寫緩沖區
count：緩沖區大小
offset：偏移量
返回值：成功：讀到的字節數，失敗-1

將緩沖區數據寫到磁盤

在傳統Unix系統實現中大多數磁盤I/O通過緩沖區進行的，當我們向文件寫數據時，內核通常將數據復制到緩沖區中，之后再寫到磁盤，這種方式稱為延遲寫。下面函數將緩沖區數據寫入到磁盤。

#include

void sync(void);
將修改過的塊緩沖區排隊寫到隊列就返回，數據并不一定寫入到磁盤。命令sync就是調用sync函數。update系統守護進程每30s調用一次該函數。

int fsync(int fd);
只對一個文件描述符其作用，并且磁盤操作結束后才返回。

int fdatasync(int fd);
等同于fsync，但是同時更新文件屬性。

修改已打開的文件屬性

#include
#include

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
功能：修改已打開文件屬性
參數：fd：文件描述符
cmd： F_DUPFD：復制文件描述符，新的文件描述符作為返回值返回。新文件描述符與舊fd共享同一文件表項，但是有自己的文件描述符標志，其FD_CLOEXXEC文件描述符標志被取消
F_DUPFD_CLOEXEC：復制文件描述符，設置與新文件描述符關聯的FD_CLOEXXEC文件描述符標志的值，返回新文件描述符
F_GETFD：對應于fd的文件描述符標志作為函數返回值
F_SETFD：對應fd設置文件描述符標志，新值為第三參數值
F_GETFL：對應fd的文件狀態標志作為函數返回值
F_SETFL：將文件狀態標志設置為第三個參數的值
F_GETOWN：獲取當前SIGIO和SIGURG信號的進程ID和組ID
F_SETOWN：設置接收SIGIO和SIGURG信號的進程ID和組ID
第三參數：總是一個整數，一般0
返回值：出錯：-1
成功：其他

ioctl 函數

ioctl函數是I/O操作的萬金油，內核對設備的IO通道控制操作函數，多用于驅動程序。

#include

int ioctl(int fd, int request, ...);
參數：@fd :文件描述符的序號
@request :請求代表不同操作的數字值
@... :可變參數，（寫或者不寫根據請求決定）
:傳遞的是整數，或者地址
返回值：出錯：-1
成功：其他

ioctl函數的實現需要一種命令碼
32位
比特位含義
31 - 30 00 ：命令不帶參數
01 ：命令從驅動中獲取數據，讀方向
10 ：命令把數據寫入驅動，寫方向
11 ：命令即寫又讀：雙向
29 - 16 類型的大小
15 - 8 類型
7 - 0 序號

三、標準I/O庫

標志I/O庫處理了很多細節，比如緩沖區的分配、優化塊長度執行I/O等，更方便大家進行I/O操作

在前面說的I/O函數都是圍繞著文件描述符進行操作的，在標準I/O庫里對應的是流進行操作的，當打開一個一個流時，標準I/O庫函數fopen返回一個指向FILE對象的指針。它是一個結構體包含了標準I/O庫

所管理該流的所有信息，包括用于實際I/O的文件描述符、指向用于該流的緩沖區指針、緩沖區長度、以及當前緩沖區中的字符等。

對應文件描述符每個進程定義了三個流，標準輸入（stdin）、標準輸出（stdout）、標準出錯（stderr）

2.緩沖區

標準I/O庫提供緩沖區的目的是為了盡可能減少使用read和write（太消耗資源了），它對每個I/O流自動地進行緩沖管理，庫函數提供的接口，在內存中創建一塊緩沖區，直到滿足一定條件，才會真正寫入，本質上還是系統調用，可以在不同系統間進行數據傳輸。

有以下三種緩沖

1.全緩沖，操作的文件，3個條件：

緩沖區滿，則會刷新緩沖區 4096byte
程序正常結束
fflush刷新緩沖區（將內容寫到磁盤，在驅動程序表示丟棄緩沖區數據）

2.行緩沖：指針對終端進行操作，4個條件：

緩沖區滿，則會刷新緩沖區 1024byte
程序正常結束
fflush刷新緩沖區
“n”

3.無緩沖：指針終端進行操作

修改系統默認緩沖（一定要在流打開之后修改）

#include

void setbuf(FILE *stream, char *buf);
功能：打開或者關閉緩沖機制
參數：stream：打開的流
buf：指向一個長度為BUFSIZE的緩沖區，設置為null則關閉緩沖
返回值：成功0，失敗非0

int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);
功能：打開或者關閉緩沖機制
參數：stream：打開的流
buf：指向一個長度為BUFSIZE的緩沖區，設置為null則系統自動分配
mode：_IONBF ：無緩沖，此選項可以忽略buf和size
_IOLBF ：行緩沖
_IOFBF ：全緩沖
返回值：成功0，失敗非0

刷新緩沖區，將所有未寫的數據傳輸到內核。如果stream為null，則刷新所有緩沖區。

#include

int fflush(FILE *stream);

打開流

打開一個流默認是全緩沖，當打開終端設備時候默認為行緩沖。

#include

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
功能：打開一個標準I/O流
參數：path：文件名
mode：打開模式 (b:二進制文件)
r/rb:打開文件對文件進行讀操作，文件必須存在，
r+/r+b/rb+：打開文件對文件進行讀寫操作，文件必須存在
w/wb：打開或者創建文件，對文件進行寫入
w+/w+b/wb+：打開或者創建文件，對文件進行讀寫操作
a/ab：打開或者創建文件，從文件末尾位置追加數據（多個進程追加一個文件也可以正確寫入）
a+/a+b/ab+：打開或者創建文件，從文件末尾進行讀取、追加文件。如果文件不存在創建文件，從文件起始處讀寫。

返回值：成功返回文件指針，失敗返回null

FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
功能：取一個文件描述符，并使標準I/O流與之相關聯，此函數常用于由創建管道和網絡通信管道函數返回的描述符。因為這些特色文件不能用fopen打開。
返回值：成功返回文件指針，失敗返回null

FILE *freopen(const char *path, const char *mode, FILE *stream);
功能：在一個指定流上打開一個文件，如果已經打開則先關閉再打開，此函數一般用于將一個文件打開為一個預定義的流：stdin、stdout、stderr
參數：path：文件名
mode：
返回值：成功返回文件指針，失敗返回null

關閉流

當關閉一個流時候，緩沖區所有數據都被丟棄。

#include

int fclose(FILE *fp);
返回值：成功0，失敗EOF(-1)

讀流和寫流

每次打開一個I/O可以使用三種不同方式進程讀寫流 1. 每次讀寫一個字符的I/O 2. 每次讀寫一行的I/O，沒次以換行符終止 3. 直接I/O，直接讀寫某種指定長度的對象，常用于二進制和結構體讀寫。

讀寫一個字符

#include

int fgetc(FILE *stream);
int getc(FILE *stream);
int getchar(void);
功能：讀取數據
參數：流
返回值：成功讀取的字符，失敗 -1（EOF）
區別：getc為宏。fgetc為函數，所以fgetc可以當做地址作為參數傳遞，getc不可以。

#include

int fputc(int c, FILE *stream);
int putc(int c, FILE *stream);
int putchar(int c);
功能：寫入文件數據
參數：c 寫入的字符 stream 流
返回值：成功寫入的字符，失敗 EOF

讀寫一行字符

#include
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
char *gets(char *s);（不推薦使用，因為無法指定長度，可以造成緩沖區溢出）
功能：讀取文件中的一行字符，遇到n 結束
參數：s 指向用戶開辟的緩沖區，實現定義一個數組
size：要求讀取字節個數
stream：流
返回值：成功讀取的字符串，失敗 EOF;

#include

int fputs(const char *s, FILE *stream);
int puts(const char *s);
功能：輸出以null結尾的字符串數據數據到指定文件中
參數：s 指定要被讀取數據的緩沖區
輸出 n 但不能輸出?
返回值：成功讀取的字符串，失敗 EOF;

二進制I/O讀寫

#include
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
功能：讀文件
參數：ptr:事先定義的變量，需要傳遞變量的
size：每個對象的大小
number:對象個數
stream：流
返回值：成功：返回實際讀取到對象的個數
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb,
FILE *stream);
功能：寫文件
參數：ptr:事先定義的變量，需要傳遞變量的
size：每個對象的大小
number:對象個數
stream：流
返回值：成功：返回實際寫對象的個數
注釋：這兩個函數存在一個問題就是只能讀寫同一系統上的數據，如果是不同系統則會造成問題。因為在不同系統同一結構的同一成員偏移量可能不同。

定位流

#include

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
功能：文件定位
參數：stream 流
offset：偏移量
whence：基準點
SEEK_SET 文件開頭位置
SEEK_CUR 文件當前位置
SEEK_END 文件末尾位置
從后往前偏移加 - 號
返回值：成功 0 失敗 -1

long ftell(FILE *stream);
功能返回當前文件位置指針的位置是在那個地址，使用數字的形式表示
參數：stream 流
返回值：成功返回文件當前位置，出錯-1.

void rewind(FILE *stream);
參數：stream 流
功能：把文件指針指向開頭

int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);
功能：將文件位置指示器的當前值存入pos指向的對象中

int fsetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);
功能：將文件位置定位到pos指示的值位置。

格式化I/O

格式化輸出

#include

int printf(const char *format, ...);
功能：發送格式化輸出到標準輸出 stdout。
參數：format -- 這是字符串，包含了要被寫入到標準輸出 stdout 的文本

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
功能：寫入到指定的流。

int sprintf(char *str, const char *format, ...);
功能：將格式化字符串寫入到str中，自動會加一個null字節
參數：str：保存格式化的字符串
format -- 這是字符串
返回值：成功：返回寫入到str中字符數（不包含null），失敗負數

int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);
功能：同sprintf，但是sprintf可能會造成緩沖區溢出功能，所以snprintf會限定寫入字節數。
參數：str：保存格式化的字符串，自動會加一個null字節
size：字符串大小
format -- 這是字符串
返回值：如果格式化后的字符串長度小于等于 size，則會把字符串全部復制到 str 中，并給其后添加一個字符串結束符 ?；
如果格式化后的字符串長度大于 size，超過 size 的部分會被截斷，只將其中的 (size-1) 個字符復制到 str 中，并給其后添加一個字符串結束符 ?，返回值為欲寫入的字符串長度。
失敗：負數
格式字符： %h：輸出short型
%d 十進制有符號整數
%md：m為指定的輸出字段的寬度。如果數據的位數小于m，則左端補以空格，若大于m，則按實際位數輸出。
%ld：輸出長整型數據。
%lld: long long型
%u 十進制無符號整數
%f 浮點數輸出float
%lf 浮點數輸出double
%m.nf：輸出共占m列，其中有n位小數，如數值寬度小于m左端補空格。
%-m.nf：輸出共占m列，其中有n位小數，如數值寬度小于m右端補空格。
%s 字符串
%c 單個字符
%p 指針的值
%% 百分號本身
%e 指數形式的浮點數
%x, %X 無符號以十六進制表示的整數
%o 無符號以八進制表示的整數
%g(%G) 浮點數不顯無意義的零"0"
%p 輸出地址符
%lu 32位無符號整數
%llu 64位無符號整數
附加格式說明符
m 輸出數據域寬,數據長度 .n 對實數,指定小數點后位數(四舍五入)
- 輸出數據在域內左對齊（缺省右對齊)

+ 指定在有符號數的正數前顯示正號(+)
0 輸出數值時指定左面不使用的空位置自動填0
# 在八進制和十六進制數前顯示前導0，0x
l long類型輸出 %ld
double類型輸出 %lf

格式化輸入：
#include

int scanf(const char *format, ...);
功能：按照格式從終端輸入數據
參數：
format：格式控制串
%d 十進制整數
%c 字符數據
%s 字符串
%f 浮點類型

arg：可變參
如果要將輸入的數據保存在arg變量里面，需要傳arg的地址
返回值：成功：輸入的個數失敗EOF

int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
功能：從流 stream 讀取格式化輸入
參數：stream ：這是指向 FILE 對象的指針，該 FILE 對象標識了流。
format ：這是 C 字符串，包含了以下各項中的一個或多個：空格字符、非空格字符和 format 說明符。
返回值：如果成功，該函數返回成功匹配和賦值的個數。如果到達文件末尾或發生讀錯誤，則返回 EOF。

int sscanf(const char *str, const char *format, ...)；
功能：從字符串讀取格式化輸入。
參數：str：這是 C 字符串，是函數檢索數據的源。
format ：這是 C 字符串，包含了以下各項中的一個或多個：空格字符、非空格字符和 format 說明符
返回值：如果成功，該函數返回成功匹配和賦值的個數。如果到達文件末尾或發生讀錯誤，則返回 EOF。

格式字符：同格式化輸出,左補空格;否則按實際輸出

臨時文件

#include

char *tmpnam(char *s);
功能：產生一個與現有文件不同名的文件，每次調用都會產生不同路徑的臨時文件
參數：保存返回的路徑名
返回值：返回文件路徑名

#include

FILE *tmpfile(void);
功能：產生一個臨時二進制文件（wb+），關閉該文件時會自動刪除該文件
參數：保存返回的路徑名
返回值：返回文件路徑名

11 內存流

標準I/O庫都是是將文件中數據取出來緩沖在內存中，現在我們可以直接通過緩沖區與主存直接來回傳遞數據，不依賴文件。仍然使用FILE指針，這些流看起來像文件流，其實是內存流。

內存流不訪問文件只訪問主存，所以如果標準I/O流作為參數用于臨時文件的話，用內存流替代會有很大性能提高。

#include

FILE *fmemopen(void *buf, size_t size, const char *mode);
功能：內存流創建
參數：buf：指向緩沖區的開始位置，如果為null，讀寫都沒有任何意義。
size：指定緩沖區大小的字節數，如果buf為null，則自動分配大小
mode：同fopen的mode
返回值：成功返回流指針，失敗null

FILE *open_memstream(char **ptr, size_t *sizeloc);
功能：創建流面向字節

#include

FILE *open_wmemstream(wchar_t **ptr, size_t *sizeloc);
功能：創建流面向寬字節

四、高級I/O

非阻塞I/O、I/O多路轉接、異步I/O、記錄鎖，這些都會在進程間通信用到

非阻塞I/O

對于給定的文件描述符，有兩種方法指定為非阻塞I/O。

調用open獲得描述符時候指定 O_NONBLOCK標志
對于打開的文件描述符，調用fcntl函數，將O_NONBLOCK標志打開
記錄鎖

記錄鎖：當一個進程正在讀或者寫一個文件某部分的時候，使用記錄鎖可以阻止其他進程修改同一文件區。

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
對于記錄鎖，cmd的參數為 F_GETKL、F_SETLK、F_SETLKW。第三個參數為指向flock結構的指針
struct flock {
short l_type; 鎖的類型：F_RDLCK(共享讀鎖)、F_WRLCK(獨占性寫鎖)、F_UNLCK(解鎖)
short l_whence; SEEK_CUR、SEEK_SET、SEEK_END
off_t l_start; 加鎖或者解鎖的區域起始偏移量
off_t l_len; 區域長度
pid_t l_pid; 持有鎖阻塞當前的進程
};
如果len為0，表示鎖的范圍無限大，不管向文件追加多少數據都在鎖范圍內。
對整個文件加鎖，len=0，whence=EEK_SET。
共享讀鎖：任意多個進程可以在給定字節上有一把共享讀鎖，
獨占性寫鎖：如果給定字節已經有寫鎖，那么不可再加任何鎖。
F_GETKL：判斷由flock結構的指針所描述的鎖是否會被另外一把鎖排斥。如果存在一把鎖，它阻止創建由flock結構的指針所描述的鎖，如果不存在則吧type修改為F_UNLCK
F_SETLK：由flock結構的指針所描述的鎖，如果試圖獲取一把鎖，系統阻止給我們鎖則返回錯誤
F_SETLKW：如果請求鎖，因為其他進程在使用，則調用進程進入休眠，直到鎖可用被喚醒。

當一個進程終止時候，它所建立的所有鎖都會釋放，同樣關閉一個文件描述符，與該文件描述符相關的鎖都會釋放。
fork產生的子進程不繼承父進程設置的鎖。

I/O多路轉接

1.對于從一個文件描述符讀，然后又寫另一個文件描述符這樣的操作，我們通常這樣寫

while(read(fd,buf,size)) {
write(fd,buf,size);
}

這種阻塞I/O操作，我們經常見，也是最低級的寫法，因為可能因為讀阻塞導致寫阻塞。這時候我們使用異步I/O,進程告訴內核，當描述符準備好時候通過信號通知內核，但是他也有限制，只有在描述符是

網絡或者終端設備時候才會起作用。

2.IO多路復用基本思想

先構造一張有關描述符的表，然后調用一個函數，當這些文件描述符中的一個或多個已準備好進行IO時函數才返回，函數返回時告訴進程已經有描述符就緒，可以進行IO操作。

3.實現函數select

select函數可以使我們執行I/O多路轉接，通過傳給select函數的參數可以告訴內核：

a.我們所關心的描述符

b.對于每個描述符我們所關心的條件，是否想從一個給定描述符讀/寫，是否關心描述符異常

c.愿意等待多長時間

也可以通過返回值得到以下信息

a.已經準備好的文件描述符

b. 對于讀、寫、異常者三個條件中每一個，哪些已經準備好

然后我們就可以使用read和write函數讀寫。

#include
#include
#include

int select(int nfds,fd_set *read_fds,fd_set *write_fds,fd_set *except_fds,struct timeval *timeout);
參數： nfds 所有監控文件描述符最大的那一個 +1.(因為文件描述符編號從0開始，所以要加1)
read_fds 所有可讀的文件描述符集合。沒有則為NULL
write_fds 所有可寫的文件描述符集合。沒有則為NULL
except_fds 處于異常條件的文件描述符沒有則為NULL
timeval: 超時設置。 NULL：一直阻塞，直到有文件描述符就緒或出錯
0 ：僅僅監測文件描述符集的狀態，然后立即返回
非0 ：在指定時間內，如果沒有事件發生，則超時返回
返回值：當timeval設置為NULL：返回值 -1 表示出錯
>0 表示集合中有多少個描述符準備好
當設置timeval非0時：返回值 -1：表示出錯
>0: 表示集合中有多少描述符準備好
=0: 表示時間到了還沒有描述符準備好

對于fd_set數據類型有以下四種處理方式 fd：文件描述符、 fdset文件描述符集合
void FD_SET(int fd,fd_set *fdset): 將fd加入到fdest
void FD_CLR(int fd,fd_set *fdest)：將fd從fdest里面清除
void FD_ZERO(fd_set *fdest)：從fdest中清除所有文件描述符
void FD_ISSET(int fd,fd_set *fdest)：判斷fd是否在fdest集合中
這些接口實現為宏或者函數，調用 FD_ZERO 將fd_set變量的所有位置設置為0，如果要開啟描述符集合的某一位，可以調用 FD_SET ，調用FD_CLR 可以清除某一位，FD_ISSET用來檢測某一位是否打開。
在申明了一個描述符集合之后，必須使用FD_ZERO將其清零，下面是使用操作：
fd_set reset;
int fd;
FD_ZERO(&reset);
FD_SET(fd, &reset);
FD_ZERO(STDIN_FILENO, &reset);
if (FD_ISSET(fd, &reset)) {}

對于“準備好” 這個詞這里說明一下，什么才是準備好，什么是沒有準備好，如果對讀集（read_fds/write_fds）中的一個描述符進行read/write操作沒有阻塞則認為是準備好，或者對except_fds有一個未決異常條件，則認為準備好。
一個描述符的阻塞并不影響整個select的阻塞。當文件描述符讀到文件結尾時候，read返回0.

4.實現函數poll

poll函數與select函數相似，不同的是，poll不是為每個條件（讀、寫、異常）構造一個文件描述符，而是構造一個pollfd結構數組，每個數組元素指定一個描述符編號，poll函數可以用于任何類型的文件描述符。

#include

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
參數：fds：pollfd結構數組
struct pollfd {
int fd; /* 文件描述符 */
short events; /* 請求事件 */
short revents; /* 返回事件 */
};
events：需要將events設置為以下一個或者多個值，這些值會告訴內核哪些是我們關系的文件描述符
POLLIN 不阻塞地讀高優先級數據意外的數據
POLLRDNORM 不阻塞地讀普通數據
POLLRDBAND 不阻塞地讀優先級數據
POLLPRI 不阻塞地讀高優先級數據
POLLOUT 普不阻塞地讀寫普通數據
POLLWRNORM 同POLLOUT
POLLWRBAND 不阻塞地寫低優先級數據
POLLERR 發生錯誤
POLLHUP 發生掛起（當掛起后就不可以再寫該描述符，但是可以讀）
POLLNVAL 描述字不是一個打開的文件
revents：返回的文件描述符，用于說明描述符發生了哪些事件。
nfds：數組中元素數
timeout：等待時間
= -1：永遠等待，直到有一個描述符準備好，或者捕捉到一個信號，如果捕捉到信號返回-1。
= 0 ：不等待，立即返回。這是輪詢的方法。
> 0：等待的毫秒數，有文件描述符準備好或者timeout超時立即返回。超時返回值為0.

5.散布讀和聚集寫

就是在一次函數調用中讀、寫多個非連續的緩沖區。

#include

ssize_t readv(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt);
功能：散布讀
參數：fd：文件描述符
iov：iovec結構指針
struct iovec {
void *iov_base; 緩沖地址
size_t iov_len; 緩沖大小
}；
iovcnt：iov數組元素個數
返回值：成功：已讀個數，失敗：-1

ssize_t writev(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt);
功能：聚集寫
參數：fd：文件描述符
iov：iovec結構指針
struct iovec {
void *iov_base; 緩沖地址
size_t iov_len; 緩沖大小
}；
iovcnt：iov數組元素個數
返回值：成功：已寫個數，失敗：-1

6.存儲映射I/O

存儲映射I/O，將一個磁盤文件映射到內存中的一個緩沖區上，從這個緩沖區讀寫數據就相當于讀寫文件數據，就可以不再使用read、write。

#include
void *mmap(void *addr,size_t len,int prot,int flags,int fd,off_t offset);
功能：將文件或設備空間映射到共享內存區，因此當從共享內存讀數據時就相當于從文件中讀取數據
參數： addr：要映射的起始地址，通常為NULL，讓內核自動分配
len：映射到進程地址空間的字節數
port：映射區保護方式 PROT_READ 映射區可讀
PROT_WRITE 映射區可寫
PROC_EXEC 映射區可執行
PROC_NONE 映射區不可訪問

flags： MAP_SHARED 變動是共享的
MAP_PRIVATE 變動是私有的
MAP_FIXED 準確解釋addr參數, 如果不指定該參數, 則會以4K大小的內存進行對齊
MAP_ANONYMOUS 建立匿名映射區, 不涉及文件
fd：文件描述符，使用前必須先打開文件。
offset：從文件頭開始偏移量為0

p=(STU*)mmap(NULL,sizeof(STU)*5,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0) //STU* 數據類型

五、終端I/O

終端I/O系統是一個非常復雜的東西，我們不會去講解它，但是它有幾個非常重要的函數需要我們學，這幾個函數用來去嵌入式的串口編程

獲取/設置終端參數

#include
#include

int tcgetattr(int fd, struct termios *termios_p);
功能：獲取終端屬性
參數：fd：打開串口設備節點描述符
termios_p：終端屬性結構體指針

int tcsetattr(int fd, int optional_actions,
const struct termios *termios_p);
功能：設置終端屬性
參數：fd：打開串口設備節點描述符
termios_p：終端屬性結構體指針：有70多種標志（這里不詳細介紹，后面會說）
optional_actions：TCSANOW: 更改立即發生
TCSADRAIIN: 發送所有輸出后更改才發生，更改輸出參數選用這個
TCSAFLUSH: 發送所有輸出后更改才發生，更改時所有未讀數據全部丟棄

波特率

#include
#include

speed_t cfgetispeed(const struct termios *termios_p);
speed_t cfgetospeed(const struct termios *termios_p);
int cfsetispeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);
int cfsetospeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);
功能：獲取/設置波特率
參數：termios_p：struct termios結構體指針
speed：波特率：B50、B75、B110、B150、B200、B300、B600、B1200、B1800、B2400、B4800、B9600、B19200、B38400、B57600、B115200
返回值：成功0 失敗-1.

在調用cfget函數之前先調用tcgetattr函數獲取struct termios結構指針

控制函數

int tcflush(int fd, int queue_selector);
功能：沖洗緩沖區
參數：fd：打開串口設備節點描述符
queue_selector：TCIFLUSH:沖洗輸入隊列
TCOFLUSH:沖洗輸出隊列
TCIOFLUSH:沖洗輸入和輸出緩沖隊列
返回值：成功0 失敗-1

int tcsendbreak(int fd, int duration);
功能：指定時間區間內發送連續的0值位流
參數：fd：打開串口設備節點描述符
duration： 0：傳遞延續0.25-0.5s
非0：傳遞時間依賴于實現
返回值：成功0 失敗-1

int tcdrain(int fd);
功能：等待所以輸出都被傳遞
返回值：成功0 失敗-1

int tcflow(int fd, int action);
功能：對輸入輸出流進行控制
參數：action：TCOOFF:輸出被掛起
TCOON：啟動被掛起的輸出
TCIOOFF：發送一個stop，終端設備停止發送數據
TCION: 發送一個START，終端設備繼續發送數據
返回值：成功0 失敗-1

Linux系統下串口編程實現demo

#include
#include
#include
#include

#include
#include
#include
#include
#include

#define ARRAY_SIZE(A) (sizeof(A)/sizeof(A[0]))
#define MAX_BAUD 115200
#define UART_IDX "/dev/ttyUSB0"
#define CRC_OK 0
#define CRC_FAIL -1

typedef enum {
STANDARD_INPUT_MODE = 1,
RAWDATA_MODE
} uart_mode_e;

static int fd;
static pthread_t read_thread_id;
static int usb_thread_run;
static char recv_buf[1024 * 100];
static unsigned char recvmsg[1024 * 100];

static int ws_uart_send(char *buf, int len)
{
unsigned int total_byte = 0;
int send_byte;
while (len > 0) {
if (len < 1024)
send_byte = write(fd, buf+total_byte, len);
else
send_byte = write(fd, buf+total_byte, 1024);
if (send_byte < 0) {
tcflush(fd, TCOFLUSH);
printf("data send errorn");
return -1;
}
len -= send_byte;
total_byte += send_byte;
printf("len = %d total_byte = %dn", len, total_byte);
}
return 0;
}

static void *read_thread(void *arg)
{
int count,ret = 0;
int cnt;
int total;
char buf[64] = {0};
usb_thread_run = 1;
while (usb_thread_run) {
memset(recv_buf, 0, sizeof(recv_buf));
cnt = 0;
total = 0;
count = read(fd, buf, 64);

printf("cnt = %dn", count);
printf("buf = %sn", buf);
write(fd, buf, count);

}
return NULL;
}
/**
* @brief
* @note
* @param fd:
* @param baud_rate:
* @retval
*/
int set_uart_baud_rate(int fd, int baud_rate)
{
int ret = 0;
struct termios param;
int speed_arr[] = { B921600, B576000, B500000, B460800, B230400,B115200, B38400, B19200, B9600, B4800, B2400, B1200 };
int name_arr[] = { 921600, 576000, 500000, 460800, 230400,115200, 38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200 };
int i = 0;
int status;

status = tcgetattr(fd, ¶m);
if(0 != status)
{
printf("%s:%d error = %dn",__func__, __LINE__, ret);
return ret;
}
for(i = 0; i < ARRAY_SIZE(speed_arr); i++)
{
if(baud_rate == name_arr[i])
{
tcflush(fd, TCIOFLUSH);
if(0 != cfsetispeed(¶m, speed_arr[i]))
{
printf("%s:%d error = %dn",__func__, __LINE__, ret);
return ret;
}
if(0 != cfsetospeed(¶m, speed_arr[i]))
{
printf("%s:%d error = %dn",__func__, __LINE__, ret);
return ret;
}
status = tcsetattr(fd, TCSANOW, ¶m);
if(0 != status)
{
printf("%s:%d error = %dn",__func__, __LINE__, ret);
return ret;
}
tcflush(fd, TCIOFLUSH);
break;
}
}
if(i == ARRAY_SIZE(speed_arr))
{
printf("%s:%d error = %dn",__func__, __LINE__, ret);
return ret;
}
return ret;
}

/**
* @brief
* @note
* @param fd:
* @param databits:
* @param stopbits:
* @param parity:
* @param mode:
* @retval
*/
int set_uart_parity(int fd, int databits, int stopbits, int parity, uart_mode_e mode)
{
int ret = 0;
struct termios param;
if(tcgetattr(fd, ¶m) != 0)
{
printf("%s:%d error = %dn",__func__, __LINE__, ret);
return ret;
}
param.c_cflag &= ~CSIZE;
switch(databits) /*設置數據位數*/
{
case 7:
param.c_cflag |= CS7;
break;
case 8:
param.c_cflag |= CS8;
break;
default:
return ret;
}
switch(parity)
{
case 'n':
case 'N':
param.c_cflag &= ~PARENB; /* Clear parity enable */
param.c_iflag &= ~(INPCK | ICRNL | IXON); /* Enable parity checking */
break;
case 'o':
case 'O':
param.c_cflag |= (PARODD | PARENB); /* 設置為奇效驗*/
param.c_iflag |= INPCK; /* Disnable parity checking */
break;
case 'e':
case 'E':
param.c_cflag |= PARENB; /* Enable parity */
param.c_cflag &= ~PARODD; /* 轉換為偶效驗*/
param.c_iflag |= INPCK; /* Disnable parity checking */
break;
case 'S':
case 's': /*as no parity*/
param.c_cflag &= ~PARENB;
param.c_cflag &= ~CSTOPB;
break;
default:
return ret;
}
/* 設置停止位*/
switch(stopbits)
{
case 1:
param.c_cflag &= ~CSTOPB;
break;
case 2:
param.c_cflag |= CSTOPB;
break;
default:
return ret;
}
if(mode == STANDARD_INPUT_MODE)
/*標準輸入設置*/
{
param.c_lflag &= ~(ECHO); //關閉回顯
param.c_lflag |= (ICANON);
param.c_oflag |= OPOST; //
}
/*raw data mode*/
else if(mode == RAWDATA_MODE)
{
param.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
param.c_oflag &= ~OPOST; //raw output
}
/* Set input parity option */
if(parity != 'n')
{
param.c_iflag |= INPCK;
}

param.c_cc[VTIME] = 10; //10 // 1 seconds
param.c_cc[VMIN] = 0;

tcflush(fd, TCIFLUSH);

/* Update the options and do it NOW */
if(tcsetattr(fd, TCSANOW, ¶m) != 0)
{
printf("%s:%d error = %dn",__func__, __LINE__, ret);
return ret;
}
return ret;
}

void uart_recv_start(void)
{
printf("recv start");
pthread_create(&read_thread_id, NULL, read_thread, NULL);
pthread_detach(read_thread_id);
}

void uart_deinit()
{
usb_thread_run = 0;
close(fd);
pthread_join(read_thread_id, NULL);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
struct termios oldtio, newtio;
int ret = 0;
char buf[256];
fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NOCTTY);
if (fd < 0) {
printf("Open %s failedn", argv[1]);
return -1;
} else
printf("Open %s successfullyn", argv[1]);

set_uart_baud_rate(fd, 115200);
ret = set_uart_parity(fd, 8, 1, 'n', RAWDATA_MODE);
uart_recv_start();
while (1) {
sleep(1);
}

}

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