网络编程高级I/O函数

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pipe函数

pipe函数用于创建管道。

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);

pipe函数的参数是一个包含两个int型整数的数组指针。该函数成功时返回0，并将一对打开的文件描述符值填入其参数指向的数组。如果失败，则返回-1并设置errno。

通过pipe函数创建的这两个文件描述符fd[0]和fd[1]分别构成管道的两端，往fd[1]写入的数据可以从fd[0]读出。并且，fd[0]只能用于从管道读出数据，fd[1]则只能用于往管道写入数据，而不能反过来使用。如果要实现双向的数据传输，就应该使用两个管道。默认情况下，这一对文件描述符都是阻塞的。此时如果我们用read系统调用来读取一个空的管道，则read将被阻塞，直到管道内有数据可读；如果我们用write系统调用来往一个满的管道中写入数据，则write亦将被阻塞，直到管道有足够多的空闲空间可用。但如果应用程序将fd[0]和fd[1]都设置为非阻塞的，则read和write会有不同的行为。

此外，socket的基础API中有一个socketpair函数。它能够方便地创建双向管道。其定义如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socketpair(int domain,int type,int protocol,int fd[2]);

socketpair前三个参数的含义与socket系统调用的三个参数完全相同，但domain只能使用UNIX本地域协议族AF_UNIX，因为我们仅能在本地使用这个双向管道。最后一个参数则和pipe系统调用的参数一样，只不过socketpair创建的这对文件描述符都是既可读又可写的。socketpair成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。

dup函数和dup2函数

有时我们希望把标准输入重定向到一个文件，或者把标准输出重定向到一个网络连接（比如CGI编程）。这可以通过下面的用于复制文件描述符的dup或dup2函数来实现：

#include <unistd.h>
int dup(int file_descriptor);
int dup2(int file_descriptor_one,int file_descriptor_two);

dup函数创建一个新的文件描述符，该新文件描述符和原有文件描述符file_descriptor指向相同的文件、管道或者网络连接。并且dup返回的文件描述符总是取系统当前可用的最小整数值。dup2和dup类似，不过它将返回第一个不小于file_descriptor_two的整数值。dup和dup2系统调用失败时返回-1并设置errno。

注意　通过dup和dup2创建的文件描述符并不继承原文件描述符的属性，比如close-on-exec和non-blocking等。

readv函数和writev函数

readv函数将数据从文件描述符读到分散的内存块中，即分散读；writev函数则将多块分散的内存数据一并写入文件描述符中，即集中写。它们的定义如下：

#include <sys/uio.h>
ssize_t readv(int fd,const struct iovec* vector,int count);
ssize_t writev(int fd,const struct iovec* vector,int count);

fd参数是被操作的目标文件描述符。vector参数的类型是iovec结构数组。该结构体描述一块内存区，count参数是vector数组的长度，即有多少块内存数据需要从fd读出或写到fd。readv和writev在成功时返回读出/写入fd的字节数，失败则返回-1并设置errno。

从 vector 结构体数组中读取/写入数据到文件描述符 fd，count 是结构体数组的大小。结构体数组中的每个结构体包括 iov_base 成员和 iov_len 成员，iov_base 成员指向内存地址，iov_len 表示这块地址的长度。

#include <sys/uio.h>

strcut iovec{
    ptr_t iov_base; // 起始地址
    size_t iov_len; // 字节数
}

sendfile 函数

sendfile函数在两个文件描述符之间直接传递数据（完全在内核中操作），从而避免了内核缓冲区和用户缓冲区之间的数据拷贝，效率很高，这被称为零拷贝。sendfile函数的定义如下：

#include <sys/sendfile.h>
ssize_t sendfile(int out_fd,int in_fd,off_t* offset,size_t count);

in_fd参数是待读出内容的文件描述符，out_fd参数是待写入内容的文件描述符。offset参数指定从读入文件流的哪个位置开始读，如果为空，则使用读入文件流默认的起始位置。count参数指定在文件描述符in_fd和out_fd之间传输的字节数。sendfile成功时返回传输的字节数，失败则返回-1并设置errno。该函数的man手册明确指出，in_fd必须是一个支持类似mmap函数的文件描述符，即它必须指向真实的文件，不能是socket和管道；而out_fd则必须是一个socket。由此可见，sendfile几乎是专门为在网络上传输文件而设计的。

从 in_fd 读取数据写入到 out_fd，第三个参数是读取的偏移量，第四个参数是字节数。

mmap函数和munmap函数

mmap函数用于申请一段内存空间。我们可以将这段内存作为进程间通信的共享内存，也可以将文件直接映射到其中。munmap函数则释放由mmap创建的这段内存空间。它们的定义如下：

#include <sys/mman.h>
void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);
int munmap(void* start,size_t length);

start参数允许用户使用某个特定的地址作为这段内存的起始地址。如果它被设置成NULL，则系统自动分配一个地址。length参数指定内存段的长度。prot参数用来设置内存段的访问权限。它可以取以下几个值的按位或：

PROT_READ，内存段可读。
PROT_WRITE，内存段可写。
PROT_EXEC, 内存段可执行。
PROT_NONE, 内存段不能被访问。

flags参数控制内存段内容被修改后程序的行为。（见书）

fd参数是被映射文件对应的文件描述符。它一般通过open系统调用获得。offset参数设置从文件的何处开始映射（对于不需要读入整个文件的情况）。

mmap函数成功时返回指向目标内存区域的指针，失败则返回MAP_FAILED（(void*)-1）并设置errno。munmap函数成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。

splice函数

splice函数用于在两个文件描述符之间移动数据，也是零拷贝操作。splice函数的定义如下：

#include <fcntl.h>
ssize_t splice(int fd_in,loff_t* off_in,int fd_out,loff_t* off_out,size_t len,unsigned int flags);

fd_in参数是待输入数据的文件描述符。如果fd_in是一个管道文件描述符，那么off_in参数必须被设置为NULL。如果fd_in不是一个管道文件描述符（比如socket），那么off_in表示从输入数据流的何处开始读取数据。此时，若off_in被设置为NULL，则表示从输入数据流的当前偏移位置读入；若off_in不为NULL，则它将指出具体的偏移位置。fd_out/off_out参数的含义与fd_in/off_in相同，不过用于输出数据流。len参数指定移动数据的长度；flags参数则控制数据如何移动。

使用splice函数时，fd_in和fd_out必须至少有一个是管道文件描述符。splice函数调用成功时返回移动字节的数量。它可能返回0，表示没有数据需要移动，这发生在从管道中读取数据（fd_in是管道文件描述符）而该管道没有被写入任何数据时。splice函数失败时返回-1并设置errno。

tee函数

tee函数在两个管道文件描述符之间复制数据，也是零拷贝操作。它不消耗数据，因此源文件描述符上的数据仍然可以用于后续的读操作。tee函数的原型如下：

#include <fcntl.h>
ssize_t tee(int fd_in,int fd_out,size_t len,unsigned int flags);

该函数的参数的含义与splice相同（但fd_in和fd_out必须都是管道文件描述符）。tee函数成功时返回在两个文件描述符之间复制的数据数量（字节数）。返回0表示没有复制任何数据。tee失败时返回-1并设置errno。

fcntl函数

fcntl函数，正如其名字（file control）描述的那样，提供了对文件描述符的各种控制操作。另外一个常见的控制文件描述符属性和行为的系统调用是ioctl，而且ioctl比fcntl能够执行更多的控制。但是，对于控制文件描述符常用的属性和行为，fcntl函数是由POSIX规范指定的首选方法。fcnt函数定义如下：

#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd,int cmd,...);

fd参数是被操作的文件描述符，cmd参数指定执行何种类型的操作。根据操作类型的不同，该函数可能还需要第三个可选参数arg。

在网络编程中，fcntl函数通常用来将一个文件描述符设置为非阻塞的。

int setnonblocking(int fd){
    int old_option = fcntl(fd,F_GETFL); // 获取文件描述符旧的状态标志
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK; // 设置非阻塞
    fcntl(fd,F_SETFL,new_option);
    return old_option; //返回旧的状态标志，以便日后恢复状态标志。
}

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