6. fcntl

先前我们以read终端设备为例介绍了非阻塞I/O，为什么我们不直接对STDIN_FILENO做非阻塞read，而要重新open一遍/dev/tty呢？因为STDIN_FILENO在程序启动时已经被自动打开了，而我们需要在调用open时指定O_NONBLOCK标志。这里介绍另外一种办法，可以用fcntl函数改变一个已打开的文件的属性，可以重新设置读、写、追加、非阻塞等标志（这些标志称为File Status Flag），而不必重新open文件。

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

这个函数和open一样，也是用可变参数实现的，可变参数的类型和个数取决于前面的cmd参数。下面的例子使用F_GETFL和F_SETFL这两种fcntl命令改变STDIN_FILENO的属性，加上O_NONBLOCK选项，实现和例 28.3 “非阻塞读终端”同样的功能。

例 28.5. 用fcntl改变File Status Flag

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
 
#define MSG_TRY "try again\n"
 
int main(void)
{
    char buf[10];
    int n;
    int flags;
    flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
    flags |= O_NONBLOCK;
    if (fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags) == -1) {
        perror("fcntl");
        exit(1);
    }
tryagain:
    n = read(STDIN_FILENO, buf, 10);
    if (n < 0) {
        if (errno == EAGAIN) {
            sleep(1);
            write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));
            goto tryagain;
        }
        perror("read stdin");
        exit(1);
    }
    write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    return 0;
}

以下程序通过命令行的第一个参数指定一个文件描述符，同时利用Shell的重定向功能在该描述符上打开文件，然后用fcntl的F_GETFL命令取出File Status Flag并打印。

#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    int val;
    if (argc != 2) {
        fputs("usage: a.out <descriptor#>\n", stderr);
        exit(1);
    }
    if ((val = fcntl(atoi(argv[1]), F_GETFL)) < 0) {
        printf("fcntl error for fd %d\n", atoi(argv[1]));
        exit(1);
    }
    switch(val & O_ACCMODE) {
    case O_RDONLY:
        printf("read only");
        break;
    case O_WRONLY:
        printf("write only");
        break;
    case O_RDWR:            
        printf("read write");
        break;
    default:
        fputs("invalid access mode\n", stderr);
        exit(1);
    }
    if (val & O_APPEND)  
        printf(", append");
    if (val & O_NONBLOCK)           
        printf(", nonblocking");
    putchar('\n');
    return 0;
}

运行该程序的几种情况解释如下。

$ ./a.out 0 < /dev/tty
read only

Shell在执行a.out时将它的标准输入重定向到/dev/tty，并且是只读的。argv[1]是0，因此取出文件描述符0（也就是标准输入）的File Status Flag，用掩码O_ACCMODE取出它的读写位，结果是O_RDONLY。注意，Shell的重定向语法不属于程序的命令行参数，这个命行只有两个参数，argv[0]是”./a.out”，argv[1]是”0”，重定向由Shell解释，在启动程序时已经生效，程序在运行时并不知道标准输入被重定向了。

$ ./a.out 1 > temp.foo
$ cat temp.foo
write only

Shell在执行a.out时将它的标准输出重定向到文件temp.foo，并且是只写的。程序取出文件描述符1的File Status Flag，发现是只写的，于是打印write only，但是打印不到屏幕上而是打印到temp.foo这个文件中了。

$ ./a.out 2 2>>temp.foo
write only, append

Shell在执行a.out时将它的标准错误输出重定向到文件temp.foo，并且是只写和追加方式。程序取出文件描述符2的File Status Flag，发现是只写和追加方式的。

$ ./a.out 5 5<>temp.foo
read write

Shell在执行a.out时在它的文件描述符5上打开文件temp.foo，并且是可读可写的。程序取出文件描述符5的File Status Flag，发现是可读可写的。

我们看到一种新的Shell重定向语法，如果在<、>、>>、<>前面添一个数字，该数字就表示在哪个文件描述符上打开文件，例如2>>temp.foo表示将标准错误输出重定向到文件temp.foo并且以追加方式写入文件，注意2和>>之间不能有空格，否则2就被解释成命令行参数了。文件描述符数字还可以出现在重定向符号右边，例如：

$ command > /dev/null 2>&1

首先将某个命令command的标准输出重定向到/dev/null，然后将该命令可能产生的错误信息（标准错误输出）也重定向到和标准输出（用&1标识）相同的文件，即/dev/null，如下图所示。

图 28.3. 重定向之后的文件描述符表

/dev/null设备文件只有一个作用，往它里面写任何数据都被直接丢弃。因此保证了该命令执行时屏幕上没有任何输出，既不打印正常信息也不打印错误信息，让命令安静地执行，这种写法在Shell脚本中很常见。注意，文件描述符数字写在重定向符号右边需要加&号，否则就被解释成文件名了，2>&1其中的>左右两边都不能有空格。

除了F_GETFL和F_SETFL命令之外，fcntl还有很多命令做其它操作，例如设置文件记录锁等。可以通过fcntl设置的都是当前进程如何访问设备或文件的访问控制属性，例如读、写、追加、非阻塞、加锁等，但并不设置文件或设备本身的属性，例如文件的读写权限、串口波特率等。下一节要介绍的ioctl函数用于设置某些设备本身的属性，例如串口波特率、终端窗口大小，注意区分这两个函数的作用。