linux系统函数

1.Linux函数简述

• Linux系统函数的用法必须结合Linux内核的工作原理 来理解，因为系统函数正是内核提供给应用程序的接口，而要理解内核的工作原理，必须熟练掌握C语言，因为内核也是用C语言写的。
• 我们在描述内核工作原理时必然要用“指 针”、“结构体”、“链表”这些名词来组织语言，就像只有掌握了英语才能看懂英文书一样，只有学好了C语言才能看懂我描述的内核工作原理。

2.文件I/O

2.1-C标准库函数和系统函数的关系

2.2文件描述符

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。

一个进程默认打开3个文件描述符:

STDIN_FILENO 0
STDOUT_FILENO 1
STDERR_FILENO 2

标准输入（STDIN_FILENO）的文件描述符是 0
标准输出（STDOUT_FILENO ）的文件描述符是 1
标准错误（STDERR_FILENO ）的文件描述符是 2。

• 新打开文件返回文件描述符表中未使用的最小文件描述符。
• 文件描述符的有效范围是0到 OPEN_MAX。一般来说，每个进程最多可以打开64个文件（0 — 63）。

2.3-task_struct结构体

• 为了管理进程，操作系统必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述，为此，操作系统使用数据结构来代表处理不同的实体，这个数据结构就是通常所说的进程控制块（PCB）。
• 在linux操作系统下这就是task_struct结构体 ，所属的头文件#include <sched.h>每个进程都会被分配一个task_struct结构，它包含了这个进程的所有信息。

这个进程的主要信息：

• 1、与进程相关的唯一标识符：区别正在执行的进程和其他进程

• 2、状态：描述进程的状态，因为进程有阻塞、挂起、运行等好几个状态，所以都有个表示符来记录进程的执行状态。

• 3、优先级：如果有好几个进程正在执行，就涉及到进程的执行的先后顺序，这和进程的优先级这个标识符有关。

• 4、程序计数器：程序中即将被执行指令的下一条地址。

• 5、内存指针：程序代码和进程相关数据的指针。

• 6、上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。

• 7、I/O状态信息：包括显示的I/O请求，分配给进程的I/O设备和被进程使用的文件列表。

• 8、记账信息：包括处理机的时间总和，记账号等等

2.4-files_struct结构体

• files_struct结构体定义在include/linux/fs.h中定义。文件结构体代表一个打开的文件，系统中的每个打开的文件在内核空间都有一个关联的 files_struct。
• 它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。在内核创建和驱动源码中，files_struct的指针通常被命名为file或filp。

2.5-文件描述符、task_struct结构体（PBC）、files_struct结构体三者关系

• 文件描述符fd只是一个小整数，在open时产生。起到一个索引的作用，进程通过PCB中的文件描述符表找到该fd所指向的文件指针filp。·
• 文件描述符的操作(如: open)返回的是一个文件描述符,内核会在每个进程空间中维护一个文件描述符表,所有打开的文件都将通过此表中的文件描述符来引用;而流(如: fopen)返回的是一个FILE结构指针, FILE结构是包含有文件描述符的，FILE结构函数可以看作是对fd直接操作的系统调用的封装, 它的优点是带有I/O缓存。
• 每个进程在PCB即进程控制块中都保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，文件描述表中每个表项都有一个指向已打开文件的指针，已打开的文件在内核中用file结构体表示，文件描述符表中的指针指向file结构体。
  
  2.6-open函数
• open函数有两种形式，一种带两个参数，一种带三个参数

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); 
返回值：成功返回新分配的文件描述符，出错返回-1并设置errno

pathname参数是要打开或创建的文件名，和fopen一样，pathname既可以是相对路径也可以是绝对路径。flags参数有一系列常数值可供选择，可以同时选择多个常数用按位或运算符连接起来，所以这些常数的宏定义都以O_开头，表示or。

flag参数选项：

必选项：以下三个常数中必须指定一个，且仅允许指定一个。

• O_RDONLY 只读打开
• O_WRONLY 只写打开
• O_RDWR 可读可写打开

可选项：以下可选项可以同时指定0个或多个，和必选项按位或起来作为flags参数。可选项有很多， 这里只介绍一部分。

• O_APPEND 表示追加。如果文件已有内容，这次打开文件所写的数据附加到文件的末尾 而不覆盖原来的内容。
• O_CREAT 若此文件不存在则创建它。使用此选项时需要提供第三个参数mode，表示该 文件的访问权限。
• O_EXCL 如果同时指定了O_CREAT，并且文件已存在，则出错返回。
• O_TRUNC 如果文件已存在，并且以只写或可读可写方式打开，则将其长度截断（Trun- cate）为0字节。
• O_NONBLOCK对于设备文件，以O_NONBLOCK方式打开可以做非阻塞I/O（Nonblock I/ O）

2.7-close函数
close函数关闭一个已打开的文件：

#include <unistd.h> int close(int fd);
返回值：成功返回0，出错返回-1并设置errno

参数fd是要关闭的文件描述符。需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会 自动关闭它打开的所有文件。但是对于一个长年累月运行的程序（比如网络服务器），打开 的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源。

参考文章：
https://www.cnblogs.com/pluslius/p/10088929.html
https://blog.csdn.net/daboluo521/article/details/79598281
https://www.cnblogs.com/hanxiaoyu/p/5677677.html