文件描述符fd和文件指针fp之间的相互转换

本文详细介绍了在Linux/Unix环境下,如何将C库中的文件描述符fp(FILE*型)转换为系统调用得到的文件描述符fd(int型),并提供了具体的代码示例,包括从fp到fd以及从fd到fp的转换过程。

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      Linux/Unix下使用open函数(系统调用)打开文件会得到文件描述符fd(int型变量),而使用C库中的fopen函数打开文件则会得到文件描述符fp(FILE*型变量),二者之间是可以相互转换的,下面是两个example。


1.fd转换为fp

int main(int argc, char *argv[])
{
    FILE *fp = NULL;
    fp  = fopen("/home/super_bert/test.dat", "r");    /*得到文件指针*/
    if (fp == NULL)
    {
        perror("open file error.");
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("open file successfully...\n");
    }
    
    int fd;
    fd = fileno(fp);    /*文件指针转换为文件描述符*/
    if (-1 == fd)
    {
        perror("fp to fd error.");
    }
    else
    {
        printf("transform successfully...\n")
        exit(1);
    }
    
    return 0;
}

    fileno()函数转换成功返回文件描述符fd,失败时返回-1。

2.fp转换为fd

int main(int argc, char *argv[])
{
    int  fd;
    fd = open("/home/super_bert/test.dat", O_CREAT|O_RDWR, 0666);     /*得到文件描述符*/
    if ( -1 == fd )
    {
        perror("open file error.");
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("open file successfully...\n");
    }
    FILE *fp = NULL;
    fp = fdopen(fd, "r");        /*文件描述符转换为文件指针*/
    if (NULL == fp)
    {
        perror("fd to fp error.");
    }
    else
    {
        printf("transform successfully...\n");
        exit(1);
    }
    
    return 0;
}

      fdopen()转换成功是返回指向该文件的文件指针,失败返回NULL,错误代码在宏errno中。

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作者:super_bert  
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<think>我们正在讨论流指针(FILE*)文件描述符(int fd之间的关系。根据引用内容,我们可以总结如下: 1. **文件描述符**: - 是操作系统级别的抽象,代表一个打开的文件、管道、套接字等I/O资源。 - 在Linux中,每个进程都有一个文件描述符表(files_struct数组),文件描述符就是这个数组的下标(索引)[^1][^2]。 - 分配规则:当前未被使用的最小下标[^1][^2]。 2. **流指针文件指针)**: - 是C标准库(如glibc)提供的高层抽象,类型为`FILE*`。 - 本质是一个结构体,其中包含了一个文件描述符(通常为`_fileno`成员)以及一个用户空间的缓冲区等[^4][^5]。 - 通过流指针可以使用C标准库函数(如`fread`, `fwrite`, `fprintf`等)进行I/O操作。 3. **关系**: - 流指针内部封装了文件描述符。也就是说,当我们使用流指针进行I/O操作时,最终是通过其内部的文件描述符来调用系统调用(如read, write)[^4]。 - 一个进程可以同时使用文件描述符指针操作同一个文件,但需要注意缓冲区的同步问题。 - 每个流指针都对应一个文件描述符,但一个文件描述符可以被多个流指针封装(尽管通常不这样做,因为可能导致混乱)。 4. **转换**: - 从流指针获取文件描述符:使用`fileno`函数,例如:`int fd = fileno(fp);`[^4] - 从文件描述符创建流指针:使用`fdopen`函数,例如:`FILE *fp = fdopen(fd, "r");`[^2] 5. **区别**: - 抽象层次:文件描述符是系统级,流指针是库级(更高层)[^1][^4]。 - 缓冲:流指针有用户空间缓冲区,而文件描述符直接操作没有缓冲(或使用内核缓冲区)[^1][^4]。 - 操作函数:文件描述符使用系统调用(如read, write),流指针使用C标准库函数(如fread, fwrite)[^1][^4]。 6. **图示关系**: ``` 应用程序 | | 使用流指针(FILE*)调用C标准库函数(如fread, fwrite) | C标准库(包含缓冲区管理) | | 通过流指针内部的文件描述符(_fileno)调用系统调用(如read, write) | 操作系统内核 ``` 因此,流指针文件描述符是不同层次的抽象,流指针建立在文件描述符之上,提供了缓冲更易用的接口。 回答结构: 1. 先介绍两者各自是什么。 2. 再说明它们之间的关系(封装、转换等)。 3. 总结区别与联系。 注意:使用引用标记[^1][^2][^4]等来支持我们的描述。</think>### 流指针(FILE*)与文件描述符(int fd)的关系解析 #### 1. **核心关系:封装与层级** 流指针(`FILE*`)是**对文件描述符的高层封装**,两者形成层次化关系: ```mermaid graph TD A[应用程序] --> B[标准IO库函数<br>fread/fwrite/fprintf] B --> C[流指针 FILE*] C -->|封装| D[文件描述符 int fd] D -->|系统调用| E[内核文件对象] ``` - **文件描述符**:内核层抽象,直接对应操作系统的文件对象(如磁盘文件、管道等)[^1][^2] - **流指针**:应用层抽象,是包含文件描述符缓冲区的结构体[^4][^5]: ```c struct _IO_FILE { int _flags; // 状态标志 int _fileno; // 文件描述符 ← 核心关联点 char* _IO_buf_base; // 缓冲区基址 // ... 其他成员 }; ``` #### 2. **映射关系实现** 两者可通过标准库函数相互转换: | **转换方向** | **函数原型** | **作用** | **场景示例** | |--------------------|----------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------| | 流指针文件描述符 | `int fileno(FILE *stream);` | 提取流指针中的文件描述符[^4] | 需要混合使用标准IO系统调用时 | | 文件描述符→流指针 | `FILE *fdopen(int fd, const char *mode);` | 为已有描述符创建流指针[^2] | 将管道/套接字转为可缓冲的流对象 | > **典型操作**: > ```c > FILE *fp = fopen("file.txt", "r"); > int fd = fileno(fp); // 从流指针获取描述符 > > int sock_fd = socket(...); > FILE *sock_stream = fdopen(sock_fd, "r+"); // 描述符转为流指针 > ``` #### 3. **关键差异对比** | **特性** | 流指针 (`FILE*`) | 文件描述符 (`int fd`) | |------------------|----------------------------------|----------------------------------| | **抽象层级** | C标准库封装(用户空间)[^1][^4] | 操作系统原生接口(内核空间)[^1] | | **包含关系** | 包含文件描述符成员 `_fileno`[^4] | 独立存在(数组下标)[^1][^3] | | **缓冲机制** | 自带用户空间缓冲区[^1][^4] | 无缓冲(直接系统调用)[^1] | | **线程安全** | 需额外同步(如`flockfile`)[^5] | 原子操作更易实现 | | **操作粒度** | 字符/行/格式化数据[^4] | 原始字节块[^1] | #### 4. **协同工作流程** 当通过流指针操作文件时: 1. 调用 `fread()` 等库函数 2. 流指针检查缓冲区数据状态 3. 若缓冲区不足,通过内部的 `_fileno` 调用 `read()` 系统调用[^4] 4. 内核填充流指针的缓冲区 5. 返回请求数据给应用 > **设计本质**:流指针是**带缓冲区的文件描述符包装器**,通过减少系统调用次数提升效率[^1][^4] #### 5. **进程中的关系模型** ```mermaid graph BT subgraph 进程 F[FILE* stdin] --> G1[fd=0] H[FILE* stdout] --> G2[fd=1] I[FILE* stderr] --> G3[fd=2] J[自定义FILE*] --> G4[fd=3] end G1 --> K[内核文件表] G2 --> K G3 --> K G4 --> K ``` - 每个进程默认打开三个流指针:`stdin/stdout/stderr`,对应描述符0/1/2[^3] - 新增文件会分配最小可用描述符(如3,4,...),并可通过`fdopen`转为流指针[^1][^2] #### 6. **典型协作场景** - **混合编程**:通过`fileno()`获取描述符后调用`fcntl()`设置非阻塞模式 - **重定向实现**:先关闭描述符1,再打开新文件(自动分配fd=1),所有输出流指针自动重定向[^2] - **错误处理**:流指针操作失败时,可通过`ferror()`检查错误,或通过`fileno()`获取描述符后检查`errno` > **关键结论**:文件描述符是操作系统的核心资源标识,流指针是C标准库在其基础上构建的**带缓冲的高级抽象接口**,两者通过`_fileno`字段紧密关联[^4][^5]。
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