《Linux C编程实战》笔记：一些系统调用

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dup和dup2函数

fcntl函数

示例程序1

示例程序2

ioctl函数

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dup和dup2函数

#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd):

• dup 函数复制 oldfd 参数所指向的文件描述符。

• 参数：

  • oldfd：要复制的文件描述符的整数值。

• 返回值： 返回新的文件描述符，如果出错，则返回 -1，并设置 errno。

新的文件描述符和oldfd共享所有的锁定，读写指针和各项权限和标志位，如果用lseek对某个文件描述符操作，另一个文件描述符的读写指针也会跟着变动

• dup2 函数将 newfd 参数指定的文件描述符设置为 oldfd 参数指定的文件描述符的副本。

• 参数：

  • oldfd：要复制的文件描述符的整数值。
  • newfd：要设置为副本的新文件描述符的整数值。

• 返回值： 返回新的文件描述符（即 newfd），如果出错，则返回 -1，并设置 errno。

示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd1 = open("file.txt", O_RDONLY);
    int fd2 = open("newfile.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);

    dup2(fd1, 10);  // 将文件描述符 10 设置为 fd1 的副本
    dup2(fd2, 11);  // 将文件描述符 11 设置为 fd2 的副本

    // 现在文件描述符 10 与 fd1 指向相同的文件，文件描述符 11 与 fd2 指向相同的文件

    close(fd1);
    close(fd2);

    return 0;
}

若newfd已经被程序使用，系统会将其关闭以释放该文件描述符；若newfd==oldfd，则不会关闭该文件。

fcntl函数

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fentl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

功能根据cmd的值的不同而不同，失败一般返回-1

复制文件描述符（F_DUPFD）：

int new_fd = fcntl(old_fd, F_DUPFD, 0);

这个命令用于复制文件描述符 old_fd，并返回一个新的文件描述符 new_fd

在 fcntl 函数的 F_DUPFD 命令中，第三个参数（常被称为 arg）是用于指定新的文件描述符的最小值。这个参数告诉系统在哪里开始搜索未使用的文件描述符来复制。如果指定的值是 0，系统会选择一个未使用的最小文件描述符号。如果你希望指定一个特定的文件描述符，可以传递你想要的值。

F_GETFD：

int flags = fcntl(fd, F_GETFD);

用于获取文件描述符 fd 的标志，例如 close-on-exec 标志。

如果 FD_CLOEXEC 标志被设置，说明文件描述符在 exec 被调用时会被关闭。否则，说明文件描述符会保持打开状态。

可以这样判断

int flags = fcntl(fd, F_GETFD);
if (flags & FD_CLOEXEC) {
        printf("FD_CLOEXEC flag is set.\n");
    } else {
        printf("FD_CLOEXEC flag is not set.\n");
    }

F_SETFD：

fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);//比如arg是FD_CLOEXEC

用于设置文件描述符 fd 的标志，例如设置 close-on-exec 标志。

F_GETFL：

int flags = fcntl(fd, F_GETFL);

用于获取文件描述符 fd 的文件状态标志，如读写模式和非阻塞标志。

F_SETFL：

fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

用于设置文件描述符 fd 的文件状态标志，如设置非阻塞标志。

Linux系统只能设置O_APPEND,O_NONBLOCK,O_ASYNC,含义与open函数里的一致

示例程序1

演示fcntl的一些功能

#include <cstdio>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>
using namespace std;
//自定义错误处理函数
void my_err(const char *err_string,int line){
    fprintf(stderr,"line:%d ",line);
    perror(err_string);
    exit(1);
}
int main(){
    int ret;
    int access_mode;
    int fd;
    if((fd=open("exanple_64",O_CREAT|O_TRUNC|O_RDWR,S_IRWXU))==-1)
        my_err("open",__LINE__);
    //设置文件打开方式
    if((ret=fcntl(fd,F_SETFL,O_APPEND))==-1)
        my_err("fcntl",__LINE__);
    //获取文件打开方式
    if((ret=fcntl(fd,F_GETFL,0))==-1)//0可以去掉
        my_err("fcntl",__LINE__);
    access_mode=ret&O_ACCMODE;
    if(access_mode==O_RDONLY)
        printf("example_64 access mode:read only");
    else if(access_mode==O_WRONLY)
        printf("example_64 access mode:write only");
    else if(access_mode==O_RDWR)
        printf("example_64 access mode:read+write");
    if(ret&O_APPEND)
        printf(" ,append");
    if(ret&O_NONBLOCK)
        printf(",nonblock");
    if(ret&O_SYNC)
        printf(",sycn");
    printf("\n");
    return 0;
}

运行结果是

结果解释：虽然open的时候设置的是O_TRUNC，是将文件截断为0，但是后面的代码用fcntl修改打开方式为O_APPEND，所以O_APPEND是存在的。（不过效果依然是截断，文件会清空。因为open的时候设置的是截断）

ret&O_ACCMODE是取得文件打开方式的掩码，它其实就是3 。因为文件打开方式有三种，是2位的，所以需要&11(二进制)，也就是3 。

if(ret & O_APPEND) 这句代码用于检查文件状态标志中是否设置了 O_APPEND 标志。

接下来的fcntl函数3种功能都和文件记录锁有关，因此先介绍一下文件记录锁。
当有多个进程同时对某一文件进行操作时,就有可能发生数据的不同步，从而引起错误，该文件的最后状态取决于写该文件的最后一个程序。但是对于有些应用程序，如数据库，有时进程需要确保它正在单独写一个文件。为了向进程提供这种功能，Linux系统提供了记录锁机制。
Linux 的文件记录锁能提供非常详细的控制，它能对文件的某一区域进行文件记录锁的控制。当fentl用于管理文件记录锁的操作时，第三个参数指向一个struct flock *lock的结构:

struct flock {
    short  l_type;   /* 锁的类型: F_RDLCK（共享读锁）、F_WRLCK（独占写锁）、F_UNLCK（释放锁） */
    short  l_whence; /* l_start 的解释方式: SEEK_SET（相对于文件的起始位置）、SEEK_CUR（相对于当前文件位置）、SEEK_END（相对于文件的末尾） */
    off_t  l_start;  /* 锁的起始位置，即锁定范围的起始偏移量 */
    off_t  l_len;    /* 锁定的字节数，即锁定范围的长度 */
    pid_t  l_pid;    /* 执行 F_GETLK 命令时，包含持有锁的进程的进程ID */
};

• l_type：锁的类型，可以是以下之一：

  • F_RDLCK：共享读锁。
  • F_WRLCK：独占写锁。
  • F_UNLCK：释放锁。

• l_whence：指定 l_start 的解释方式，可以是以下之一：

  • SEEK_SET：相对于文件的起始位置。
  • SEEK_CUR：相对于当前文件位置。
  • SEEK_END：相对于文件的末尾。

• l_start：锁的起始位置，即锁定范围的起始偏移量。

• l_len：锁定的字节数，即锁定范围的长度。

  l_len 字段为0通常表示锁定或解锁整个文件。

• l_pid：在执行 F_GETLK 命令时，将包含持有锁的进程的进程ID。

多个进程在一个给定的字节上可以有一把共享的读锁，但是在一个给定字节上的写锁则只能由一个进程单独使用。进一步而言，如果在一个给定字节上已经有一把或多把读锁，则不能在该字节上再加写锁;如果在一个字节上已经有一把独占性的写锁，则不能再对它加任何读锁(锁的不兼容规则)。一个进程只能设置某一文件区域上的一种锁。如果某一文件区域已经存在文件记录锁了，则如果此时再设置新的锁在该区域的话，旧的锁将会被新的锁取代。

为了锁整个文件，通常的方法是将l_start说明为0，l_whence说明为SEEK_SET,l_len说明为0。

F_GETLK - 获取文件锁信息：

struct flock lock;

fcntl(fd, F_GETLK, &lock);

此命令用于获取文件描述符 fd 上的锁信息，这些信息会被存储在 struct flock 结构体中。通过检查结构体中的字段，可以了解关于文件锁的信息，例如锁定的类型、锁定范围等。

F_SETLK - 设置文件锁：

fcntl(fd, F_SETLK, &lock);

此时，fcntl系统调用被用来设置或释放锁，当l_type取 F_RDLCK 或F_WDLCK时，在由l_whence、l_ start和l_len指定的区域上设置锁;当l_type取F_UNLCK时则释放锁。如果锁被其他进程占用，则返回-1并设置errno为 EACCES 或EAGAIN。
需要注意的是，当设置一个共享锁(读锁)时，第一个参数fd所指向的文件必须以可读方式打开;当设置一个互斥锁(写锁)时，第一个参数fd所指向的文件必须以可写方式打开;当设置两种锁时，第一个参数fd所指向的文件必须以可读可写方式打开。当进程结束或文件描述符fd被close系统调用时,锁会自动释放。

F_SETLKW - 设置文件锁并等待：

fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);

此命令与 F_SETLK 类似，但是如果无法获取所请求的锁，F_SETLKW 会使调用进程进入阻塞状态，直到可以获取锁为止。这可以用于在获取锁之前等待其他进程释放锁。

成功返回0，失败返回-1。

示例程序2

#include<iostream>
#include<cstring>
#include <cstdio>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>
using namespace std;
//自定义错误处理函数
void my_err(const char *err_string,int line){
    fprintf(stderr,"line:%d ",line);
    perror(err_string);
    exit(1);
}
int lock_set(int fd,struct flock *lock){
    if(fcntl(fd,F_SETLK,lock)==0){//set success 
        if(lock->l_type==F_RDLCK)
            printf("set read lock,pid:%d\n",getpid());
        else if(lock->l_type==F_WRLCK)
            printf("set write lock,pid:%d\n",getpid());
        else if(lock->l_type==F_UNLCK)
            printf("release lock,pid:%d",getpid());
    }
    else{//fail
        perror("lock operation fail\n");
        return -1;
    }
    return 0;
}
//test,only success return 0
int lock_test(int fd,struct flock *lock){
    if(fcntl(fd,F_GETLK,lock)==0){//success
        if(lock->l_type==F_UNLCK){//释放可行
            printf("lock can be set in fd");
            return 0;
        }else{//已经有其他锁了，则失败
            if(lock->l_type==F_RDLCK)
                printf("can't set lock,read lock has been set by:%d\n",lock->l_pid);
            else if(lock->l_type==F_WRLCK)
                printf("can't be set lock,write lock has been set by:%d\n",lock->l_pid);
            return -2;
        }
    }else{
        perror("get incompatible locks fail");
        return -1;
    }
}
int main(){
    int fd;
    int ret;
    struct flock lock;
    char read_buf[32];
    if((fd=open("example_65",O_CREAT|O_TRUNC|O_RDWR,S_IRWXU))==-1)
        my_err("open",__LINE__);
    if(write(fd,"test lock",10)!=10)
        my_err("write",__LINE__);
    //init lock
    memset(&lock,0,sizeof(struct flock));
    lock.l_start = 0;
    lock.l_whence = SEEK_SET;
    lock.l_len=0;
    //set read lock
    lock.l_type=F_RDLCK;
    if(lock_test(fd,&lock)==0){//test succeeded
        lock.l_start=0;
        lock.l_whence=SEEK_SET;
        lock.l_len=0;
        lock.l_type=F_RDLCK;
        lock_set(fd,&lock);
    }
    //read data
    lseek(fd,0,SEEK_SET);
    if((ret=read(fd,read_buf,10))==-1)
        my_err("read",__LINE__);
    read_buf[ret]='\0';
    printf("%s\n",read_buf);

    getchar();

    //set write lock
    lock.l_type=F_WRLCK;
    if(lock_test(fd,&lock)==0){
        lock.l_start=0;
        lock.l_whence=SEEK_SET;
        lock.l_len=0;
        lock.l_type=F_WRLCK;
        lock_set(fd,&lock);
    }
    //release
    lock.l_type=F_UNLCK;
    lock_set(fd,&lock);
    close(fd);
    return 0;
}

运行结果：

结果解释：首先测试能不能在文件上加读锁，测试成功，所以加了读锁，然后读文件内容为：test lock。之后测试能不能加写锁，发现可以，就加了写锁。最后释放锁。

注意这是在同一个进程内的，所以先加读锁再加写锁，会覆盖写锁。但是如果是不同进程就不可以先加读锁再加写锁。

为了演示锁的不兼容性，这次程序在不同终端执行

再在另一个终端执行

可以看到两个读锁都可以设置

这时候在第二个终端任意按一个键，按理说接下来要设置写锁，但是

失败了，因为进程1已经设置了读锁，进程2就不能设置写锁了。

现在，既然进程2已经释放锁了，我们回到进程1按下按键试试

因为进程2的锁已经释放了，只有进程1本进程的读锁，同一进程可以先读锁后写锁，所以成功。

fcntl还有一些功能如下图

ioctl函数

#include <sys/ioctl.h>
int ioctl (int fd, int request,..)

我暂时也看不懂示例程序，所以这个函数就跳过吧