嵌入式Linux：文件共享

在Linux中，文件共享是指多個進程可以同時訪問和操作同一個文件。

文件共享在多進程或多線程編程環境中具有重要意義，特別是在以下方面：

1. 多線程操作大文件： 文件共享可用于實現多個線程同時操作同一個大文件的場景。通過創建多個不同的文件描述符，各線程可以并行地讀取或寫入文件，從而減少文件讀寫時間，提升整體效率。

2. 提高并發性： 文件共享提供了一種機制，使得多個進程或線程能夠并發地訪問同一個文件。這對于需要頻繁訪問文件的應用程序而言，能夠充分利用系統資源，提高并發性和響應速度。

3. 文件描述符復制： 通過多次調用open函數或使用dup()、dup2()函數，可以制造出多個不同的文件描述符，這些描述符指向同一個文件。這為多個并發操作提供了獨立的文件訪問通道，確保彼此之間不會干擾。

4. 協同操作： 文件共享還涉及文件鎖定等機制，確保在并發訪問時對文件的操作是協同進行的。這有助于避免數據不一致性和沖突，提高程序的穩定性。

下面分享常見的三種文件共享方式。

1、同一個進程中多次調用 open 函數打開同一個文件

在同一個進程中多次調用 open 函數打開同一個文件會得到多個不同的文件描述符（File Descriptor，簡稱FD）。每次調用 open 都會返回一個新的文件描述符，這些描述符可以獨立地用于對文件的讀取、寫入等操作。

各數據結構之間的關系如下圖所示：

下面是一個簡單的例子，演示了在同一個進程中多次調用 open 打開同一個文件：

#include#include#include
int main(void) {    // 打開同一個文件，獲取文件描述符    int fd1 = open("example.txt", O_RDONLY);    int fd2 = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd1 == -1 || fd2 == -1) {        perror("Error opening file");        return 1;    }
    // 讀取文件內容    char buffer1[100];    char buffer2[100];
    ssize_t bytesRead1 = read(fd1, buffer1, sizeof(buffer1));    ssize_t bytesRead2 = read(fd2, buffer2, sizeof(buffer2));
    // 輸出讀取的內容    printf("Content read from fd1: %.*sn", (int)bytesRead1, buffer1);    printf("Content read from fd2: %.*sn", (int)bytesRead2, buffer2);
    // 關閉文件描述符    close(fd1);    close(fd2);
    return 0;}

在這個例子中，程序打開同一個文件 "example.txt" 兩次，分別獲得了兩個文件描述符 fd1 和 fd2。這兩個文件描述符可以獨立地進行文件讀取操作。需要注意的是，這種情況下讀取的文件內容是一樣的，因為它們指向同一個文件的同一位置。

2、不同進程中分別使用 open 函數打開同一個文件

在Linux系統中，不同進程可以使用open函數打開同一個文件。當多個進程打開同一個文件時，每個進程會得到一個文件描述符（file descriptor），這個文件描述符是一個唯一的整數，用于標識該文件在該進程中的打開實例。

各數據結構之間的關系如下圖所示：

以下是一個簡單的例子，演示了兩個不同的進程分別使用open函數打開同一個文件：

#include#include#include#include
int main() {    // 文件路徑    const char *file_path = "example.txt";
    // 在第一個進程中打開文件    int fd1 = open(file_path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);    if (fd1 == -1) {        perror("Error opening file in process 1");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 寫入內容到文件    const char *content1 = "Hello from process 1n";    write(fd1, content1, strlen(content1));
    // 關閉文件描述符    close(fd1);
    // 在第二個進程中打開文件    int fd2 = open(file_path, O_WRONLY | O_APPEND);    if (fd2 == -1) {        perror("Error opening file in process 2");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 寫入內容到文件    const char *content2 = "Hello from process 2n";    write(fd2, content2, strlen(content2));
    // 關閉文件描述符    close(fd2);
    return 0;}

在這個例子中，兩個進程分別使用open函數打開同一個文件 example.txt。第一個進程以寫入模式打開文件，寫入一些內容，然后關閉文件。第二個進程以追加模式打開文件，寫入一些內容，然后關閉文件。由于文件描述符是每個進程私有的，它們可以獨立地訪問和操作同一個文件，不會相互干擾。

3、同一個進程中通過 dup（dup2）函數對文件描述符進行復制

在同一個進程中，可以使用dup函數或dup2函數來復制文件描述符。這樣，進程內的兩個文件描述符將指向同一個打開的文件，允許對同一文件進行獨立的讀寫操作。

各數據結構之間的關系如下圖所示：

下面是一個簡單的例子：

#include#include#include#include
int main() {    // 文件路徑    const char *file_path = "example.txt";
    // 打開文件    int fd1 = open(file_path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);    if (fd1 == -1) {        perror("Error opening file");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 寫入內容到文件    const char *content = "Hello from processn";    write(fd1, content, strlen(content));
    // 復制文件描述符    int fd2 = dup(fd1);    if (fd2 == -1) {        perror("Error duplicating file descriptor");        close(fd1);        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 使用原始文件描述符寫入內容    const char *content1 = "Original file descriptorn";    write(fd1, content1, strlen(content1));
    // 使用復制的文件描述符寫入內容    const char *content2 = "Duplicated file descriptorn";    write(fd2, content2, strlen(content2));
    // 關閉文件描述符    close(fd1);    close(fd2);
    return 0;}

在這個例子中，程序先打開一個文件，然后使用dup函數復制文件描述符。這樣，fd1和fd2都指向同一個文件。接著，程序使用原始文件描述符 fd1 寫入一些內容，再使用復制的文件描述符 fd2 寫入另一些內容。由于它們指向同一個文件，兩次寫入的內容都會出現在文件中。

需要注意的是，dup函數會返回一個新的文件描述符，該描述符是當前可用文件描述符中的最小數值。而dup2函數則允許指定新的文件描述符的值，如果指定的文件描述符已經被占用，dup2會先關閉該描述符，然后將其重定向到指定的文件。