4. read/write

read函数从打开的设备或文件中读取数据。

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
返回值:成功返回读取的字节数,出错返回-1并设置errno,如果在调read之前已到达文件末尾,则这次read返回0

参数count是请求读取的字节数,读上来的数据保存在缓冲区buf中,同时文件的当前读写位置向后移。注意这个读写位置和使用C标准I/O库时的读写位置有可能不同,这个读写位置是记在内核中的,而使用C标准I/O库时的读写位置是用户空间I/O缓冲区中的位置。比如用fgetc读一个字节,fgetc有可能从内核中预读1024个字节到I/O缓冲区中,再返回第一个字节,这时该文件在内核中记录的读写位置是1024,而在FILE结构体中记录的读写位置是1。注意返回值类型是ssize_t,表示有符号的size_t,这样既可以返回正的字节数、0(表示到达文件末尾)也可以返回负值-1(表示出错)。read函数返回时,返回值说明了buf中前多少个字节是刚读上来的。有些情况下,实际读到的字节数(返回值)会小于请求读的字节数count,例如:

write函数向打开的设备或文件中写数据。

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
返回值:成功返回写入的字节数,出错返回-1并设置errno

写常规文件时,write的返回值通常等于请求写的字节数count,而向终端设备或网络写则不一定。

读常规文件是不会阻塞的,不管读多少字节,read一定会在有限的时间内返回。从终端设备或网络读则不一定,如果从终端输入的数据没有换行符,调用read读终端设备就会阻塞,如果网络上没有接收到数据包,调用read从网络读就会阻塞,至于会阻塞多长时间也是不确定的,如果一直没有数据到达就一直阻塞在那里。同样,写常规文件是不会阻塞的,而向终端设备或网络写则不一定。

现在明确一下阻塞(Block)这个概念。当进程调用一个阻塞的系统函数时,该进程被置于睡眠(Sleep)状态,这时内核调度其它进程运行,直到该进程等待的事件发生了(比如网络上接收到数据包,或者调用sleep指定的睡眠时间到了)它才有可能继续运行。与睡眠状态相对的是运行(Running)状态,在Linux内核中,处于运行状态的进程分为两种情况:

下面这个小程序从终端读数据再写回终端。

例 28.2. 阻塞读终端

#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;
}

执行结果如下:

$ ./a.out 
hello(回车)
hello
$ ./a.out 
hello world(回车)
hello worl$ d
bash: d: command not found

第一次执行a.out的结果很正常,而第二次执行的过程有点特殊,现在分析一下:

  1. Shell进程创建a.out进程,a.out进程开始执行,而Shell进程睡眠等待a.out进程退出。

  2. a.out调用read时睡眠等待,直到终端设备输入了换行符才从read返回,read只读走10个字符,剩下的字符仍然保存在内核的终端设备输入缓冲区中。

  3. a.out进程打印并退出,这时Shell进程恢复运行,Shell继续从终端读取用户输入的命令,于是读走了终端设备输入缓冲区中剩下的字符d和换行符,把它当成一条命令解释执行,结果发现执行不了,没有d这个命令。

如果在open一个设备时指定了O_NONBLOCK标志,read/write就不会阻塞。以read为例,如果设备暂时没有数据可读就返回-1,同时置errnoEWOULDBLOCK(或者EAGAIN,这两个宏定义的值相同),表示本来应该阻塞在这里(would block,虚拟语气),事实上并没有阻塞而是直接返回错误,调用者应该试着再读一次(again)。这种行为方式称为轮询(Poll),调用者只是查询一下,而不是阻塞在这里死等,这样可以同时监视多个设备:

while(1) {
	非阻塞read(设备1);
	if(设备1有数据到达)
		处理数据;
	非阻塞read(设备2);
	if(设备2有数据到达)
		处理数据;
	...
}

如果read(设备1)是阻塞的,那么只要设备1没有数据到达就会一直阻塞在设备1的read调用上,即使设备2有数据到达也不能处理,使用非阻塞I/O就可以避免设备2得不到及时处理。

非阻塞I/O有一个缺点,如果所有设备都一直没有数据到达,调用者需要反复查询做无用功,如果阻塞在那里,操作系统可以调度别的进程执行,就不会做无用功了。在使用非阻塞I/O时,通常不会在一个while循环中一直不停地查询(这称为Tight Loop),而是每延迟等待一会儿来查询一下,以免做太多无用功,在延迟等待的时候可以调度其它进程执行。

while(1) {
	非阻塞read(设备1);
	if(设备1有数据到达)
		处理数据;
	非阻塞read(设备2);
	if(设备2有数据到达)
		处理数据;
	...
	sleep(n);
}

这样做的问题是,设备1有数据到达时可能不能及时处理,最长需延迟n秒才能处理,而且反复查询还是做了很多无用功。以后要学习的select(2)函数可以阻塞地同时监视多个设备,还可以设定阻塞等待的超时时间,从而圆满地解决了这个问题。

以下是一个非阻塞I/O的例子。目前我们学过的可能引起阻塞的设备只有终端,所以我们用终端来做这个实验。程序开始执行时在0、1、2文件描述符上自动打开的文件就是终端,但是没有O_NONBLOCK标志。所以就像例 28.2 “阻塞读终端”一样,读标准输入是阻塞的。我们可以重新打开一遍设备文件/dev/tty(表示当前终端),在打开时指定O_NONBLOCK标志。

例 28.3. 非阻塞读终端

#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实现等待超时的例子。既保证了超时退出的逻辑又保证了有数据到达时处理延迟较小。

例 28.4. 非阻塞读终端和等待超时

#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;
}