【Linux】文件描述符 fd

目录

一、C语言文件操作

1.1 fopen和fclose

1.2 fwrite和fread

1.3 C语言中的输入输出流

二、Linux的文件系统调用

2.1 open和文件描述符

2.2 close

2.3 read

2.4 write

三、Linux内核数据结构与文件描述符


一、C语言文件操作

在C语言中我们想要打开一个文件并对其进行读取写入等各种操作,需要依赖于fopen、fread、fwrite等函数。我们先来回顾一下这些函数

1.1 fopen和fclose

其中:

  • path:目标文件的路径
  • mode:文件的打开模式

文件的打开模式中,r表示只读,w表示只写,a表示追加,还有很多模式相信对大家来说都不陌生

fopen如果打开文件成功,会返回一个FILE*指针,其中FILE结构体是C库自己封装的结构体,内部封装了文件的各种属性

一个文件被打开后,如果我们不需要使用该文件了,就需要使用fclose关闭它,向函数传入先前从fopen接收到的FILE*指针即可。

1.2 fwrite和fread

其中:

  • ptr:指向某一内存块的指针
  • size:要读取/写入的元素大小
  • nmemb:要读取/写入的元素个数
  • stream:文件指针

所以读取或写入的字节总数为size*nmemb

我们可以用fwrite对一个文件进行写入,例如:

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    FILE *fp = fopen("myfile", "w");
    if(!fp)
    {
        printf("fopen error!\n");
    }
    const char *str = "hello Linux\n";
    fwrite(str, strlen(str), 1, fp); 
    fclose(fp);
    return 0;                                                                                                                                                                                                 
}            

运行代码,可以看到已经写入成功了

我们还可以用fread读取一个文件的内容,例如:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    FILE *fp = fopen("myfile", "r");                                                                                                                                                                          
    if(!fp)
    {
        printf("fopen error!\n");
    }
    char buf[1024];
    ssize_t s = fread(buf, 1, sizeof(buf), fp);
    if(s)
    {
        buf[s] = '\0';
        printf("%s", buf);
    }
    fclose(fp);
    return 0;
}

fread如果读取成功,会返回读取的元素总数,与nmemb个数相同

运行代码,可以发现之前写入到myfile文件中的内容已经被读取出来了

<think>好的,我现在需要回答用户关于文件描述符fd)在操作系统中的概念的问题。首先,我需要回忆之前学过的相关知识,并结合提供的引用内容来整理思路。 根据引用3,文件描述符是操作系统用来管理已打开文件的小整数,每个进程都有一个指向files_struct结构体的指针,里面包含了一个文件指针数组,而文件描述符就是这个数组的索引。这解释了fd的基本作用,即通过索引找到对应的文件结构体。 引用1提到,struct file中的inode指针指向的是VFS(虚拟文件系统),而不是具体的文件系统如ext4。这说明操作系统通过VFS层来抽象不同文件系统的差异,使得上层应用可以统一处理文件操作。这也与文件描述符的作用相关联,因为fd通过VFS间接访问实际文件系统的inode。 引用2补充了Python中fd的使用,指出fd是整数值,用于表示操作系统打开的文件,并通过os模块的函数进行操作。这说明不同编程语言中对文件描述符的处理方式类似,都是基于底层的系统调用。 引用4提到默认情况下,进程启动时会打开stdin、stdout、stderr,对应的fd为0、1、2。这解释了fd的分配规则,新的fd会从最小的未使用整数开始分配,比如第一次打开文件时fd为3。 接下来需要将这些信息结构化,用中文清晰解释fd的概念、结构、分配规则以及VFS的作用。同时,注意按照用户的系统级指令,行内公式用$...$,独立公式用$$...$$,但这里可能涉及较少数学公式,重点在于概念描述。确保引用正确,每个引用末尾加上标识符。 最后,生成相关问题时要围绕fd的相关知识点,比如分配规则、与文件操作的关系、VFS的作用等,确保问题有针对性,帮助用户深入理解。</think>### 文件描述符 fd 的概念 文件描述符(File Descriptor, fd)是**操作系统用于管理已打开文件的整数值标识符**,本质上是进程与文件交互的“句柄”。以下从核心概念、结构关联和分配规则展开说明: --- #### 1. 核心概念 - **小整数索引**:文件描述符是一个从0开始的小整数(如0、1、2、3等)。每个进程独立维护自己的文件描述符表[^3]。 - **作用**:通过fd,进程可以读写文件、操作设备(如键盘、屏幕)、网络通信等。例如: - `0` 对应标准输入(stdin),`1` 对应标准输出(stdout),`2` 对应标准错误(stderr)[^4]。 - 用户打开文件时,操作系统返回新的fd(如3、4等)作为操作入口。 --- #### 2. 结构关联 文件描述符通过以下层级结构关联到实际文件: 1. **进程的文件描述符表**:每个进程的`task_struct`结构体中包含`*files`指针,指向`files_struct`。 - `files_struct`包含一个**文件指针数组**,fd即为数组下标[^3]。 ```c // 示例:Linux内核结构简化表示 struct files_struct { struct file **fd_array; // 文件指针数组 }; ``` - 例如,`fd=3`对应`fd_array[3]`,指向一个`file`结构体。 2. **file结构体**:描述已打开文件的状态(如读写位置、权限等),并包含指向**VFS(虚拟文件系统)**的`inode`指针[^1][^3]。 - VFS是操作系统对多种文件系统(如ext4、NTFS)的抽象层,提供统一接口。 3. **VFS与具体文件系统**:VFS的`inode`进一步关联到具体文件系统的元数据,最终通过磁盘驱动访问物理文件。 --- #### 3. 分配规则 - **最小可用原则**:新打开的fd总是选择当前未使用的最小整数。 - 默认已分配`0`(stdin)、`1`(stdout)、`2`(stderr),因此用户首次打开文件时fd通常为3[^4]。 - **关闭后重用**:若关闭fd=3,下次打开文件可能重新分配3。 --- #### 4. 操作示例(Python) ```python import os # 打开文件,返回fd fd = os.open("test.txt", os.O_RDWR) # 通过fd写入 os.write(fd, b"Hello") # 关闭文件 os.close(fd) ``` 此处`os.open()`返回的fd即为操作系统分配的最小未使用整数[^2]。 ---
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