第 10 章：系统级 I/O

第三部分：程序间的交互和通信

我们学习计算机系统到现在，一直假设程序是独立运行的，只包含最小限度的输入和输出。然而，在现实世界里，应用程序利用操作系统提供的服务来与 I/O 设备及其他程序通信。

本书的这一部分将使你了解 Unix 操作系统提供的基本 I/O 服务，以及如何用这些服务来构造应用程序，例如 Web 客户端和服务器，它们是通过 Internet 彼此通信的。你将学习编写诸如 Web 服务器这样的可以同时为多个客户端提供服务的并发程序。编写并发应用程序还能使程序在现代多核处理器上执行得更快。当学完了这个部分，你将逐渐变成一个很牛的程序员，对计算机系统以及它们对程序的影响有很成熟的理解。

输入/输出（I/O）是在主存和外部设备（例如磁盘驱动器、终端和网络）之间复制数据的过程。输入操作是从 I/O 设备复制数据到主存，而输出操作是从主存复制数据到 I/O 设备。

所有语言的运行时系统都提供执行 I/O 的较高级别的工具。例如，ANSIC 提供标准 I/O 库，包含像 printf 和 scanf 这样执行带缓冲区的 I/O 函数。C++ 语言用它的重载操作符 <<（输入）和 >>（输出）提供了类似的功能。在 Linux 系统中，是通过使用由内核提供的系统级 Unix I/O 函数来实现这些较高级别的 I/O 函数的。大多数时候，高级别 I/O 函数工作良好，没有必要直接使用 Unix I/O。那么为什么还要麻烦地学习 Unix I/O 呢？

• 了解 Unix I/O 将帮助你理解其他的系统概念。I/O 是系统操作不可或缺的一部分，因此，我们经常遇到 I/O 和其他系统概念之间的循环依赖。例如，I/O 在进程的创建和执行中扮演着关键的角色。反过来，进程创建又在不同进程间的文件共享中扮演着关键角色。因此，要真正理解 I/O，你必须理解进程，反之亦然。在对存储器层次结构、链接和加载、进程以及虚拟内存的讨论中，我们已经接触了 I/O 的某些方面。既然你对这些概念有了比较好的理解，我们就能闭合这个循环，更加深入地研究 I/O。

• 有时你除了使用 Unix I/O 以外别无选择。在某些重要的情况中，使用高级 I/O 函数不太可能，或者不太合适。例如，标准 I/O 库没有提供读取文件元数据的方式，例如文件大小或文件创建时间。另外，I/O 库还存在一些问题，使得用它来进行网络编程非常冒险。

这一章介绍 Unix I/O 和标准 I/O 的一般概念，并且向你展示在 C 程序中如何可靠地使用它们。除了作为一般性的介绍之外，这一章还为我们随后学习网络编程和并发性奠定坚实的基础。