UNIX 系统接口与存储分配

从“这一章讲的是 UNIX，不是全部 C”开始

K&R 前七章主要使用 ISO C 语言与标准库；第八章故意下探到 UNIX 系统接口。open、read、write、lseek、opendir 等属于 UNIX/POSIX 家族，不是任何 C 实现都必须提供。把边界写清，才能同时理解原书的系统思想与现代可移植代码的责任。

文件描述符 是进程局部编号。open 成功时返回当前可用编号，通常是最低可用值，但不能断言第一次一定为 3：0、1、2 可能关闭或被重定向，进程也可能继承其他描述符。可用数量由运行环境和资源限制决定，不存在通用“默认 1024”的语言规则。

低级 I/O：返回值就是本次进度

低级 I/O 把每次操作的实际进度交给调用者。read(fd, buffer, capacity) 返回正数表示本次读到的字节数，0 表示文件尾，-1 表示失败；正数小于请求量仍可能只是管道、终端、信号时机或可用数据造成的短读，不能当成文件尾。

write 返回正数时也只承诺这些字节已被接口接受，可能小于请求量。代码必须从返回位置继续，而不是整块重写；否则前缀会重复。阻塞调用被信号打断时可能以 EINTR 失败，是否重试要结合接口是否已报告进度与上层取消协议。

#include <errno.h>
#include <unistd.h>
 
int write_all(int fd, const unsigned char *data, size_t size)
{
    size_t offset = 0;
 
    while (offset < size) {
        ssize_t written = write(fd, data + offset, size - offset);
        if (written > 0) {
            offset += (size_t)written;
        } else if (written < 0 && errno == EINTR) {
            continue;
        } else {
            return 0;
        }
    }
    return 1;
}

若 write 对非零请求返回 0，示例把它当失败以避免无进度死循环。对非阻塞描述符还要处理 EAGAIN/EWOULDBLOCK 并等待可写事件；那是更高层事件循环协议，不能简单忙重试。

open、creat、close 与 unlink

open 用 O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR 选择方向，并可组合 O_CREAT、O_TRUNC、O_APPEND 等标志。只有在使用需要创建权限的标志时才传 mode_t 参数。0666 表示允许环境从读写权限中通过 umask 移除位，不等于新文件最终必然是该权限。

creat 是历史便捷函数。名字没有末尾 e 是早期命名限制的遗迹；它不是“只创建、不覆盖”，而会截断已存在的普通文件，所以不能在不知道目标身份时盲用。

close 必须由拥有者恰好调用一次。关闭可以报告延迟错误；失败后无条件再次 close 很危险，因为某些平台上编号可能已经释放并被另一线程复用。需要持久化保证时还要使用目标系统的同步接口，close 本身不是断电事务。

unlink 操作名字而不是强制关闭所有打开实例。成功后新路径查找不到该目录项，但已有描述符继续引用打开文件描述；这解释了 UNIX 临时文件模式，也说明“删除路径”与“释放描述符”是两个生命周期。

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int open_output(const char *path)
{
    return open(path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, (mode_t)0666);
}

真实程序还要决定是否允许跟随符号链接、是否覆盖现有文件、是否原子替换，以及描述符是否跨 exec 继承。不同安全目标需要不同标志与路径协议，不能用一个复制示例覆盖所有情形。

复制文件：每条失败路径都保持单一所有者

下面用低级 I/O 组合原书的 read 与 write。它不假定一次读满，也不会在目标打开失败后泄漏源描述符。为了让主流程清楚，诊断由调用者根据返回状态和保存的上下文完成。

#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
 
#define COPY_BUFFER_SIZE 8192
 
int copy_descriptors(int input, int output)
{
    unsigned char buffer[COPY_BUFFER_SIZE];
 
    for (;;) {
        ssize_t count = read(input, buffer, sizeof buffer);
        if (count > 0) {
            if (!write_all(output, buffer, (size_t)count))
                return 0;
        } else if (count == 0) {
            return 1;
        } else if (errno != EINTR) {
            return 0;
        }
    }
}

调用层应先打开输入，再打开输出；第二步失败就关闭输入。复制结束后两个描述符都要关闭，且目标关闭失败使整体失败。若输出不能留下半成品，应写入同目录临时文件，完成数据与必要元数据同步、验证关闭，再按平台语义发布；仅 O_TRUNC 原目标没有回滚能力。

随机访问与共享文件偏移

随机访问 通过 lseek(fd, offset, SEEK_SET/SEEK_CUR/SEEK_END) 改变后续读写位置，成功返回结果偏移，失败返回 (off_t)-1。返回位置超过当前文件末尾并不立即分配中间字节；后续写入可能形成稀疏文件，空洞读取为零，但物理分配由文件系统决定。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int read_at(int fd, off_t position, void *buffer, size_t capacity,
            ssize_t *count)
{
    if (lseek(fd, position, SEEK_SET) == (off_t)-1)
        return 0;
    *count = read(fd, buffer, capacity);
    return *count >= 0;
}

这不是并发安全的定位读取：lseek 与 read 之间，另一个共享同一打开文件描述的线程或进程可能改变偏移。现代 POSIX 可使用 pread 把位置与读取合成一次操作；它不改变共享偏移。原书通过 lseek 建立随机访问概念，工程实现还要审计共享关系。

文件描述符与 FILE 流不能随意混用

POSIX

fdopen 和 fileno 可以桥接两层，但不消除状态差异。ISO C 的 FILE * 管理用户态缓冲、读写方向、文件尾和错误状态；描述符层管理字节操作与文件偏移。标准 C 不要求 FILE 内部一定含一个 Unix fd，只有 POSIX 环境才定义这些桥接接口。

若 getc(stream) 已预读一块数据，底层描述符偏移可能早于调用者眼中的流位置。此时直接 read(fileno(stream), ...) 会跳过仍在 stdio 缓冲中的字节。输出方向也可能有尚未写到描述符层的数据。最安全规则是同一资源选定一层；必须切换时遵循 POSIX 的活动句柄协调规则，正确刷写或定位，并保持唯一关闭者。

fopen 与 getc 的实现思想

原书用一个小型 _iobuf 表展示

fopen 实现 思想：流对象记录方向和错误标志、缓冲区位置与剩余字符数，并关联底层句柄。真正的 ISO C 库可采用完全不同表示，应用代码不能复制或访问其私有结构。

getc 实现 常被设计成宏或内联快路径，因此参数不应带有会被多次求值的副作用，除非具体标准保证一次求值。无论内部优化如何，公开返回类型是 int，以同时表示所有 unsigned char 值和负的 EOF。

#include <stddef.h>
 
struct TinyStream {
    int descriptor;
    unsigned char *next;
    size_t remaining;
    int eof_seen;
    int error_seen;
};
 
int tiny_getc(struct TinyStream *stream)
{
    if (stream->remaining == 0)
        return tiny_fill(stream);
    --stream->remaining;
    return (int)*stream->next++;
}

这是概念骨架，不是替代 stdio 的完整实现：缺少缓冲分配、方向切换、并发锁、文本模式、宽字符、定位、退出清理和大量错误路径。关键教学点是“快路径消费缓存，慢路径补充并设置状态”，而不是依赖某个库版本的字段名字。

目录列表：不要解析原始目录字节

目录列表 在现代 POSIX 中使用 opendir、readdir、closedir。readdir 返回空指针既可能表示枚举结束，也可能表示错误，因此先把 errno 置零，循环结束后再检查。目录项名称与文件元数据是不同层；若需要大小和类型，应对完整路径调用 stat/fstatat 并处理文件在两次操作间变化的竞态。

#include <dirent.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
 
int list_names(const char *path)
{
    DIR *directory;
    struct dirent *entry;
    int ok;
 
    directory = opendir(path);
    if (directory == NULL)
        return 0;
    errno = 0;
    while ((entry = readdir(directory)) != NULL)
        if (printf("%s\n", entry->d_name) < 0) {
            closedir(directory);
            return 0;
        }
    ok = errno == 0;
    if (closedir(directory) == -1)
        ok = 0;
    return ok;
}

readdir 返回的指针由目录流管理，下一次调用可覆盖内容，关闭后失效；需要持久保存名称就复制。不要默认 d_type 存在或总是有效，也不要直接把名称拼接到固定数组而忽略长度。显示顺序由文件系统决定，需要稳定输出时收集、验证分配，再排序。

存储分配器：对齐、溢出与空闲链

K&R 的

存储分配器 用块头记录大小，用循环空闲链寻找可用块，相邻块释放后合并以减轻外部碎片。教材还用联合成员尝试获得足够对齐；现代标准和 ABI 的类型集合更复杂，生产分配器必须满足“适合任何具有基本对齐要求对象”的契约，而不能假设按 long 或指针对齐就覆盖一切。

调用 malloc 前还要检查尺寸算术。count * size 若在 size_t 中回绕，会分配一个过小对象，随后按原元素数写入越界。零大小请求可以返回空指针或不可解引用的唯一指针，调用者不应写入；free(NULL) 安全，但重复释放、释放内部地址或释放非分配器对象均未定义。

#include <stddef.h>
#include <stdlib.h>
 
void *allocate_array(size_t count, size_t element_size)
{
    size_t maximum = (size_t)-1;
 
    if (element_size != 0 && count > maximum / element_size)
        return NULL;
    return malloc(count * element_size);
}

教材分配器用于理解边界标签、首次适配、拆分和合并，不应直接投入生产：它没有现代线程同步、安全加固、大页策略、调试隔离和平台内存归还。自己实现分配器只有在明确环境、完整测试和可观测性要求下才合理；普通应用应使用维护良好的运行库。

先预测：malloc(0) 返回非空指针，是否可以写一个字节？不可以；零大小结果不能被解引用，唯一可靠操作是按接口需要保存比较并最终 free。

系统接口的可移植边界

K&R 的价值不是让所有程序都绕过 stdio，而是展示抽象如何建立：低级 I/O 只承诺本次字节进度，标准流在其上增加缓冲与格式，目录 API 隔离文件系统布局，分配器隔离原始存储来源。实现层可以变化，公开协议必须稳定。

当目标是 ISO C 可移植程序，优先使用 fopen、fread、fwrite、fseek、malloc。当需要描述符继承、权限位、非阻塞 I/O、目录遍历等 UNIX 能力，明确声明 POSIX 版本和平台前置条件，检查特性宏与返回值，并为 Windows 或嵌入式环境提供适配层。

小结

• 文件描述符是 POSIX 进程句柄；编号和数量受当前进程状态与资源限制影响，不能写死首次为 3 或上限 1024
• read 与 write 以返回值报告本次进度，短读短写、中断和无进度都需要显式策略
• open/creat 取得资源，close 释放描述符引用，unlink 删除目录项；这些生命周期不能混为一谈
• lseek 改变共享文件偏移且并非所有对象都可定位，并发位置式读取应避免两步竞态
• FILE 流与描述符是两层状态机；桥接后也必须协调缓冲、偏移和唯一关闭责任
• 目录列表依赖公开目录 API；教材分配器用于理解空闲链、对齐和合并，生产代码还要处理溢出与平台要求