简析文件描述符（fd）和 FILE结构体的关系

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本文介绍了Linux系统中文件描述符(fd)的概念及其作用。详细解释了文件描述符如何关联到进程的文件操作，并探讨了文件描述符与C语言FILE结构体之间的关系。

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文件描述符（fd）

对于linux而言，所有对设备和文件的操作都使用文件描述符来进行的。文件描述符是一个非负的整数，它是一个索引值，指向内核中每个进程打开文件的记录表。当打开一个现存文件或创建一个新文件时，内核就向进程返回一个文件描述符；当需要读写文件时，也需要把文件描述符作为参数传递给相应的函数。

通常情况下，将一个程序从硬盘加载到内存后，这个程序就化身为了一个进程，这时系统会默认打开三个文件：
标准输入（stdin）、标准输出（stdout）、标准错误（stderr）。这三个文件相对应的三个文件描述符分别为0、1、2。所以后面如果创建新文件，那么此时这个新文件的文件描述符就是3，以此类推。
这是因为在Linux中，文件的描述符分配是，从3开始，从当前最小的且未被分配的文件描述符中分配。

这里写图片描述

一个进程的文件描述符与对应的文件的关系图：

这里写图片描述

FILE结构体

c语言的stdio头文件中，定义了用于文件操作符的结构体FILE，因此我们通过fopen返回一个文件指针（指向FILE结构体的指针）来进行文件操作。文件指针进程的用户空间中的FILE结构体。
FILE结构体中的两个成员变量：文件描述符和缓冲区大小。
C语言文件指针域文件描述符之间可以相互转换：

int fileno(FILE* stream)
{
    FILE* fdopen(int fd, const char* mode)

        struct_iobuf
    {
        char* _ptr;     //缓冲区当前指针
        int _cnt;       //缓冲区相对位置
        char* _base;    //缓冲区基址
        int _file;      //文件描述符
        int _flag;      //文件读写模式
        int _charbuf;   //缓冲区剩余个数
        int _bufsiz;    //缓冲区大小
        char* _tmpfname; //临时文件名
    };
}
typedef struct_iobuf FILE

FILE结构体包含了文件操作的基础属性，fd（文件描述符）只是FILE结构体的其中一个成员，实际上,FILE结构体是间接地操作系统的文件控制块的（PCB）来实现对文件的操作，FILE结构体中的_file，也就是临时文件描述符，作为进入打开文件索引的整数。文件描述符是位于系统调用层(sys call)而文件指针是位于C库(lib call)的.

file结构体的几个重要的成员变量：
f_flags:表示打开文件的权限。
f_pos:表示当前读写文件的位置。
f_count:表示打开文件的引用计数，如果有多个文件指针指向它，就会增加f_count的值。
f_mode:设置对文件的访问模式,例如：只读，只写、可读可写等。

小结

file_struct是操作系统用来管理文件的数据结构,
当我们创建一个进程时，会创建文件描述符表，
进程控制块PCB中的fs指针指向文件描述符表，
当我们创建文件时，会为指向该文件的指针FILE*关联一个文件描述符并添加在文件描述符表中。
在文件描述符表中fd相当于数组的索引，FILE*相当于数组的内容，指向一个文件结构体。