【Linux操作系统】文件描述符fd

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系统文件I/O函数介绍

我们C语言有fopen，fwrite，fread等接口来进行文件访问。其根本原因还是进行了一层系统调用，使用了系统提供的接口。所以我们可以直接使用系统的接口来进行文件的访问操作。

再此之前需要先介绍俩个函数。

open

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

其中 pathname，代表要写入的字符串，flags，就是要对文件进行的操作，mode_t mode 是一个八进制的权限值。如果文件打开失败会返回-1，打开成功则返回文件的fd值

write

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

fd就是文件的fd值，buf就是要写入的字符串。count就是要写入的字符数量。而返回值是实际写入的数量。

所以我们可以写这样一份代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


int main() {   int fd = open("logo",O_WRONLY | O_CREAT,0664);//O_WRONLY写，O_CREAT如果文件不存在就创建   if(fd < 0) //打开文件失败，open会返回-1   {
    perror("fail\n");
    return 1;   }
     int count = 5;   const char* str = "hello linux\n";   int len = strlen(str);   while(count--)
    write(fd,str,len); // 往fd的位置写文件


  close(fd);

  return 0; }

如何运行看看结果。

我们可以发现，再运行这个程序之后。我们就会文件里写入程序中指定的内容。

那么再为大家介绍一个系统接口。

read

使用方法和write一样，只不过write是写，read是读。

代码:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


int main()
{
  int fd = open("logo",O_RDONLY);
  if(fd < 0) //打开文件失败，open会返回-1
  {
    perror("fail\n");
    return 1;
  }
  
  int count = 5;
  const char* str = "hello linux\n";
  int len = strlen(str);
  char buff[1024] = {0};
  while(read(fd,buff,len) > 0) //把文件的数据读到buff中
  {
    printf("%s",buff);//打印读取的数据
  }
  close(fd);

  return 0;
}

而close，就是关闭文件的意思。open打开文件，close关闭文件。

---

open函数返回值

在认识返回值之前，先来认识一下两个概念: 系统调用 和 库函数。

1. 上面的 fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数（libc）。
2. 而， open close read write lseek 都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口

系统调用接口和库函数的关系，一目了然。

所以，可以认为，f系列的函数，都是对系统调用的封装，方便二次开发。

---

文件描述符fd

通过对open函数的学习，我们知道了文件描述符就是一个小整数

open打开文件时会返回这个文件描述符，那么我们来看看这个文件描述符是多少呢？

那我们就用下面这段代码来观察每个打开文件的文件描述符。

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
  int fd1 = open("./log.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
  int fd2 = open("./log1.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
  int fd3 = open("./log2.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
  int fd4 = open("./log3.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
  int fd5 = open("./log4.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
  printf("fd1 : %d\n", fd1);
  printf("fd2 : %d\n", fd2);
  printf("fd3 : %d\n", fd3);
  printf("fd4 : %d\n", fd4);
  printf("fd5 : %d\n", fd5);
  return 0;
}

编译后我们发现对应的fd(文件描述符)值是 3 4 5 6 7

我们可以看到是一个连续的整数数列。那么这下就有点好奇了，为什么文件描述符从3开始？ 而不是从0 或者1 开始。

答案是，每个进程执行时，会默认打开三个文件。 这三个文件就是 stdin(标准输入) ， stdout(标准输出) ， stderr(标准错误) 。 而它们三个对应的fd值分别就是 0 ， 1 ， 2。所以后续打开的文件会从3开始。

所以我们还可以这样子输入输出:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
  const char* print = "print\n";
  char buff[1024]; 
  write(1,print,strlen(print)); //把 print写到显示器

  read(0,buff,1024); //把 键盘的字符串 读到buff里
  buff[strlen(buff)-1] = '\0';  //因为输入会录入回车。把回车换成\0
  printf("input:%s\n",buff);

  return 0;
}

运行结果：

为什么文件描述符从0开始？

现在知道，文件描述符就是从0开始的小整数。为什么从0 开始？ 我们不妨思考一下，从0开始的，连续的整数。像什么？ 是不是很像数组的下标？ 没错，fd值对应的就是数组下标！！

在每个进程控制块(PCB) 中， 都有一个指针*files指针指向一张表files_struct 。这是因为当进程打开文件时，操作系统需要创建相应的数据结构来描述这些文件。 而在 files_stuct表中，有一个最重要的部分，那就是一个指针数组！这个数组中的每一个元素都是一个指向当前进程已经打开了的文件的指针！所以本质上，文件描述符就是这个数组的下标，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的已打开的文件

fd的本质是内核中是进程和文件关联的数组的下标。

而我们一个进程可以打开多个文件。所以 **进程:文件 = 1 : n **。进程和文件是一对多的关系。

所以我们也可以直接往 1(标准输出)里面写 ，一样可以在显示器打印结果。

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
  char buff[] = "hello file\n";
  write(1,buff,sizeof(buff)-1);
  return 0;
}

我们编译运行一下。

那我们再来玩一个好玩的，我们把标准输入关掉。然后在打开文件，文件描述符还是3 吗？

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
  close(0);
  int fd1 = open("./log.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
  printf("fd1 = %d\n",fd1);
  return 0;
}

我们会发现新打开的文件，它的fd值是0。 也就是我们把 标准输入关掉之后， 0 这个下标的位置空出来了，而这个时候打开文件那么就会往最前面的空位找。

结论：文件描述符的分配规则是从头开始，找下第一个空位分配。

重定向的实现原理

那再玩一个好玩的，把文件描述符1关掉呢？会发生什么？

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
  close(1);
  int fd1 = open("./log.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
  printf("fd1 = %d\n",fd1);
  return 0;
}

我们编译运行

我们发现运行没有打印任何信息，但是！ 我们在log.txt 发现了 fd1 = 1这个信息。这本是我们要打印在屏幕上的信息，为什么输出到了文件中呢？

这是因为printf函数不管你是标准输出，还是你自己打开的文件。它只负责往文件描述符为1的文件里写入。当我们关掉了标准输出，打开了新的文件log.txt时，printf函数还是理所当然的往fd为1的文件写入。然而此时文件描述符为1的文件早已不是我们的标准输出了，而是我们新打开的文件，所以就写入了我们新打开的文件。

而重定向的原理也是如此。

不同的文件，怎么输入输出到不同的设备？

我们都知道每个 file文件都是write和read接口。那么它怎么知道我要从键盘读，它怎么知道我要从键盘读取？

这就要用到多态的原理了。首先我们得有个虚函数表，存放的是对应的read/write函数的函数指针。这样文件就可以通过函数指针找到对应的外设进行该外设的读写操作。

文件描述符的验证

C语言中的FILE* 结构体一定包含了文件描述符， 为什么这么说呢？ 因为任何语言，你想要使用外设设备。都必须要经过操作系统的同意！而你的标准输入输出会访问键盘和显示器， 所以也必须经过操作系统的同意！ 因为操作系统不信任任何人，只相信自己，所以操作系统会提供一层系统调用接口。 通过调用系统调用接口，由操作系统去访问外设。 所以 C语言中的FILE* 文件结构体一定包含了文件描述符。怎么验证呢？我们可以访问结构体成员**_fileno** 来获取文件描述符，因为这个成员存取的就是文件描述符。

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
  FILE* f = fopen("./log.txt","w");
  printf("fd1 = %d\n",f->_fileno);
  return 0;
}

随后编译输出

输出的新打开文件的文件描述符是3。

文件描述符的继承

如果当父进程fork出了一个子进程之后，那么子进程会继承父进程的文件描述符吗？

答案是，一定会！ 因为子进程是以父进程的模板创建的。子进程会单独复制一份file_struct 出来！ 而不是和父进程共享。

所以，我们也可以解释一下，为什么每个进程执行的时候都会默认打开标准输入，标准输出，标准错误三个文件？ 这一切都是因为这些进程继承了父进程的file_struct。而每个执行的进程的父进程都是bash，bash是命令行解析器。输入命令时，我们需要标准输入流，而标准输出用来返回输入命令的结果。标准错误用来返回报错。

一个进程可以打开多个文件，一个文件也可以被多个进程打开。在这里会用到一个引用计数的计数。文件每被一个进程打开，就会计数一次。被一个进程关闭，就会减少一次。直到为0时操作系统才会真正关闭这个文件。