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文件控制 fcntl函数详解

2024-07-25 05:46:08   218人阅读

摘要：本文主要讨论文件控制fcntl函数的基本应用.dup函数可以复制文件描述符，而fcntl函数与dup函数有着异曲同工之妙.并且还有更加强大的功能，可以获取或设置已打开文件的性质，操作文件锁.

1.fcntl函数

    在《重定向编程 dup和dup2》一文中，介绍了dup和dup2两个函数，函数是提供了复制一个现存的文件描述符的功能，而本文介绍的fcntl函数提供了进一步管理文件描述符的各种手段，用它可以对以打开的描述符执行各种控制操作，比如，可以像dup和dup2一样复制一个文件描述符，还有获取或设置文件描述符标志（只读、只写等等），操纵文件锁.

头文件：
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
定义函数：
int fcntl(int filedes， int cmd);
int fcntl(int filedes， int cmd， longarg);
int fcntl(int filedes， int cmd，structflock *lock);
返回值：若成功返回值依赖与cmd，若出错则返回-1.如果设置属性，正确返回0，错误返回-1；如果是读取属性，正确返回该属性值，错误返回-1.如，下例三个命令有特定的返回值：F_DUPFD、F_GETFD、F_GETFL以及F_GETOWN.
F_DUPFD：返回新的文件描述符.
F_GETFD：返回相应的标志.
F_GETFL以及F_GETOWN：返回一个进程ID或负的进程组ID.
函数说明：
   函数第一个参数为欲修改属性的文件描述符，第三个整数总是整数或记录锁（记录锁这里不讨论），如果是记录锁，第三个参数则是指向一个结构体指针.
   fcntl()对打开的文件描述符filedes执行各种控制操作，具体是那一操作则由第二个参数cmd决定，表1列出了该参数的所有允许值.根据参数cmd的值，有一些参数还要提供第三个参数，就是文件锁.
表1 fcntl函数cmd值以及描述
 
fcntl函数有5种功能：
1）复制一个现有的文件描述符（cmd=F_DUPFD）.
2）获取或设置文件描述符标志(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
3）获取或设置文件状态标志(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
4）获得或设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
5）获取或设置记录锁(cmd=F_GETLK或F_SETLF).

2.F_DUPFD

    复制文件描述符filefes.新文件描述符最为函数返回值.新文件描述符具有以下特性：
（1）新描述符是尚未打开的各文件描述符中大于或等于第三个参数值（取正整数）中各值的最小值.
（2）新描述符与filedes共享同一个文件表项（类似于dup函数）；即，新描述符与filedes原始文件相同的文件指针，相同的打开文件（或管道），相同的文件状态标志，相同的文件模式.如图2所示，fd=3与fd=1两个文件描述符是指向同一个文件表的.但是，新文件描述符有它自己的一套文件描述符标志，其FD_CLOEXEC文件描述符标志被清除.
（3）将与新文件描述符关联的close-on-exe标志设置为在各exec(2)系统调用之间保持打开状态.
    当进程打开一个文件时，内核中的数据结构如图1所示，也就是在程序复制文件描述符之前，内核状态是这样子的。每个进程默认只能打开1024个文件描述符，当一个进程打开一个文件时，默认会从0开始查找未被使用的描述符，由于0,1,2默认被占用，所有一般从3开始使用。
 
图1 进程打开一个文件时的内核数据结构状态
文件表项：每一个打开的文件对应着一张文件表，文件表可以共享，当多个文件描述符指向同一个文件表时，文件表中的refcnt字段会相应变化.文件表中包含着文件状态标识：文件的打开模式（R,W,RW,APPEND,NOBLOCK等）、当前文件偏移量、refcnt：被引用数量、v节点指针：指向一个v节点表。
v结点表：每个文件对应一个v结点表，无论被多少个进程打开都只有一个，它包括v节点信息（主要是stat结构体中的信息），i节点信息等。
    简单地说，复制文件描述符仅仅在当前进程打开的文件表项新增一项（图2：新增了fd=3这一项），两者（fd=1或fd=3）同时指向内核中的文件表信息，操作文件描述符任意一个会影响到另外一个.
 
图2 进程复制文件描述符后的内核数据结构状态
例子1：复制文件描述符，并使用复制前后的文件描述符往打开的文件写入信息.
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

void main()
{
        int fd，newfd;
        char *bufFD="Advanced Programming! write by fd\n";
        char *bufNewFD="Advanced Programming! write by NewFD\n";
        fd = open("test.txt"，O_RDWR|O_CREAT，0644);
        if(fd==-1)
        {
                printf("open file error%m\n");
                exit(-1);
        }

        //开始复制了
        newfd = fcntl(fd，F_DUPFD);
        //使用fd写
        write(fd，bufFD，strlen(bufFD));
        close(fd);

        //使用newfd写
        write(newfd，bufNewFD，strlen(bufNewFD));

        if(close(newfd)==-1)
        {
                printf("close error\n");
        }
        printf("now the content of file :\n");
        system("cat test.txt");
        exit(0);
}
输出：
：Advanced Programming! write by fd
：Advanced Programming! write by NewFD
    可以看出，对fd或newfd进行读写操作时对同一个文件操作，而且还可以看到fd关闭后，对newfd没有影响，使用newfd还可以操作打开的文件.
    对于复制一个文件描述符这个问题，fcntl和dup函数是有异曲同工之妙.
调用：
dup(filedes);
等价于：
fcntl(filedes， F_DUPFD， 0);
而调用：
dup2(filedes，filedes2);
等价于：
close(filedes2);
fcntl(filesdes，F_DUPFD，filedes);
注意：对于后一种情况，dup2并不完全等价于close加上fcntl.区别：
（1）dup2是原子操作，而close及fcntl则包括两个函数调用.有可能在close和fcntl之间插入执行信号捕获函数，中间这个过程修改了文件描述符.
（2）dup2和fcntl有某些不同的errno.

3.F_GETFL

    F_GETFL用于获取文件状态标志和其访问模式，对应于filedes的文件状态标志作为返回值.F_GETFL支持的标志.如表2.
表2 文件状态标志说明

例子2：监测文件当前的读取权限.如果文件具有读取权限，则返回可读信息，如果具有写权限，则返回可写信息.否则返回出错信息.
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc， char *argv[])
{
        int accmode，val;
        if(argc!=2)
        {
                printf("error:\n");
        }
        if((val=fcntl(atoi(argv[1])，F_GETFL，0))<0)
        {
                printf("error:%m\n");
                exit(-1);
        }
        accmode = val & O_ACCMODE;
        switch(accmode)
        {
                case O_RDONLY:
                        printf("read only\n");
                        break;
                case O_WRONLY:
                        printf("write only\n");
                        break;
                case O_RDWR:
                        printf("read write\n");
                        break;
                default:
                        printf("unknow access mode\n");
        }
        exit(0);
}
输出：
：./a.out test.txt
：read write

4.综述

    复制文件描述符的三种方法已学习的差不多，牢记dup、dup2和fcntl函数，因为，从此一生受用.关于fcntl的使用还有很多未挖掘，到这里先简单入门，日后再进一步加深学习.
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