第2章 IO-【千锋教育】Linux系统编程（慕课版）

第2章 I/O I/O的基本概念 Linux标准I/O Linux文件I/O I/O的基本概念 Linux标准I/O 2.2 2.1 Linux文件I/O 2.3 ☞点击查看本小节知识架构 ☞点击查看本小节知识架构 ☞点击查看本小节知识架构 学习目标 了解 掌握 熟练 掌握 了解linux操作系统框架 1 熟练使用应用层编程接口实现对文件操作 4 2 掌握标准I/O的系列编程接口的用法 3 掌握文件I/O的系列编程接口的用法 销售额 掌握知识 理解知识 熟悉知识 了解知识 2.5 2.5 2.5 2.5 应用层开发过程经常涉及对文件的访问。因此本章将在上一章的基础上继续讨论文件，重点介绍用于文件输入/输出数据的各种编程接口（Application Programming Interface，API）。对文件实现输入/输出称为I/O。Linux提供了两种I/O操作形式：标准I/O与文件I/O，它们分别有另外一种名称：即带缓存I/O、不带缓存I/O。标准I/O和文件I/O在Linux系统编程中属于基本功，需要熟练掌握。 2.1 I/O的基本概念 2.1.1 I/O的定义 返回目录 2.1.2 系统调用 2.1.3 用户程序编程接口 2.1 I/O的基本概念 说到I/O，顾名思义，它所指的是Input/Output，即输入/输出。I/O操作的基本对象为文件，文件既可以是设备文件，也可以是普通文件。Linux系统中，I/O的类型可以分为标准I/O与文件I/O。同时针对I/O的操作模式，也实现了阻塞I/O、非阻塞I/O、多路复用I/O以及异步I/O，这四种典型的模型。 标准I/O采用间接系统调用（库函数）的方式实现对文件的读写。文件I/O采用直接系统调用的方式实现对文件的读写。 因此，标准I/O和文件I/O是为了实现对文件读写而封装的两套不同的用户程序编程接口。根据上述的定义，理解用户编程接口与系统调用是关键。 2.1.1 I/O的定义 2.1 I/O的基本概念 操作系统负责管理和分配所有的计算机资源。为了更好地服务于应用程序，操作系统提供了一组特殊接口—系统调用接口层。通过接口层，用户程序可以使用操作系统内核提供的各种功能，如分配内存、创建进程、实现进程之间的通信等，通过Linux系统框架图可以更好地理解系统调用接口层的重要性。 2.1.2 系统调用 2.1 I/O的基本概念 如图所示，系统调用接口层（System Call Interface，SCI）介于应用层与内核层之间（系统调用接口层不属于内核层，但它是由内核函数实现的）。为了安全考虑，应用程序不可以直接访问硬件资源。在单片机开发中，由于不需要操作系统，因此开发人员可以编写代码直接访问硬件；而在嵌入式系统中，通常需要操作系统，程序访问硬件资源的方式就发生了改变。 2.1.2 系统调用 2.1 I/O的基本概念 操作系统基本上都支持多任务，即同时可以运行多个程序。如果允许应用程序直接访问硬件资源，肯定会带来很多问题。因此，所有软硬件资源的管理和分配都由操作系统来完成，即应用程序向操作系统发出服务请求，操作系统收到请求后执行相关的代码来处理，并将结果返回。 如图所示，系统调用执行的流程如下。 2.1.2 系统调用 2.1 I/O的基本概念 （1）应用程序代码调用封装的func()函数，该函数是一个包装的系统调用的函数。 （2）func()函数负责准备向内核传递参数，并触发软中断int 0x80切换到内核。 （3）CPU被软中断打断后，执行中断处理函数，即系统调用处理函数（system_call）。 （4）system_call调用系统调用服务例程（sys_func），真正开始处理该系统调用。 2.1.2 系统调用 2.1 I/O的基本概念 关于系统调用，还可以关注以下几点。 （1）系统调用将处理器从用户态切换到核心态，提高执行权限，以便CPU可以访问受保护的内核内存。 （2）系统调用的组成是固定的，每个系统调用都由一个唯一的数字来标识。 （3）每个系统调用可辅之以一套参数，对用户空间与内核空间之间传递的信息加以规范。 2.1.2 系统调用 2.1 I/O的基本概念 用户程序编程接口通俗的解释是各种库（最重要的是C库）中的函数。为了提高开发效率，C库中实现了很多函数。这些函数实现了常用的功能，供程序员调用。这样一来，程序员不需要自己编写这些代码，直接调用库函数就可以实现基本功能，提高了代码的复用率。使用用户程序编程接口还有一个好处：程序具有良好的可移植性。几乎所有的操作上都实现了C库，所以程序通常只需重新编译一下就可以在其他操作系统下运行。 用户程序编程接口（API）在实现时，通常都要依赖系统调用接口。例如，创建进程的fork()依赖于内核空间的sys_fork()系统调用。很