UNIX IO---再谈文件描述符

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在C程序中，文件由文件指针或者文件描述符表示。ISO C的标准I/0库函数（fopen, fclose, fread, fwrite, fscanf, fprintf等）使用文件指针，UNIX的I/O函数（open, close, read, write, ioctl）使用文件描述符。下面重点来说下，文件描述符是如何工作的。

 

文件描述符相当于一个逻辑句柄，而open,close等函数则是将文件或者物理设备与句柄相关联。句柄是一个整数，可以理解为进程特定的文件描述符表的索引。先介绍下面三个概念，后面讲下open、close等操作以后，文件和文件描述符产生什么关系，以及fork后文件描述符的继承等问题。

 

文件描述符表：用户区的一部分，除非通过使用文件描述符的函数，否则程序无法对其进行访问。对进程中每个打开的文件，文件描述符表都包含一个条目。

 

系统文件表：为系统中所有的进程共享。对每个活动的open, 它都包含一个条目。每个系统文件表的条目都包含文件偏移量、访问模式（读、写、or 读-写）以及指向它的文件描述符表的条目计数。

 

内存索引节点表: 对系统中的每个活动的文件（被某个进程打开了），内存中索引节点表都包含一个条目。几个系统文件表条目可能对应于同一个内存索引节点表（不同进程打开同一个文件）。

 

1、举例: 执行myfd = open( "/home/lucy/my.dat", O_RDONLY); 以后，上述3个表的关系原理图如下：

                                                                                  图1

 

系统文件表包含一个偏移量，给出了文件当前的位置。若2个进程同时打开一个文件（如上图A,B）做读操作，每个进程都有自己相对于文件的偏移量，而且读入整个文件是独立于另一个进程的；如果2个进程打开同一个文件做写操作，写操作是相互独立的，每个进程都可以重写另一个进程写入的内容。

 

如果上面进程在open以后又执行了close（）函数，操作系统会删除文件描述符表的第四个条目，和系统文件表的对应条目（若指向它的描述符表唯一），并对内存索引节点表条目中的计数减1，如果自减以后变为0，说明没有其他进程链接此文件，将索引节点表条目也删除，而这里进程B也在open这个文件，所以索引节点表条目保留。

 

2、文件描述符的继承

通过fork（）创建子进程时，子进程继承父进程环境和上下文的大部分内容的拷贝，其中就包括文件描述符表。

 

（1）对于父进程在fork（）之前打开的文件来说，子进程都会继承，与父进程共享相同的文件偏移量。如下图所示（0-1-2 表示 标准输入-输出-错误）：

                                  图2 fork()之前打开my.dat

 

系统文件表位于系统空间中，不会被fork()复制，但是系统文件表中的条目会保存指向它的文件描述符表的计数，fork()时需要对这个计数进行维护，以体现子进程对应的新的文件描述符表也指向它。程序关闭文件时，也是将系统文件表条目内部的计数减一，当计数值减为0时，才将其删除。

 

（2）相反，如果父进程先进程fork，再打开my.dat，这时父子进程关于my.dat 的文件描述符表指向不同的系统文件表条目，也不再共享文件偏移量（fork以后2个进程分别open，在系统文件表中创建2个条目）；但是关于标准输入，标准输出，标准错误，父子进程还是共享的。

                      图3   fork()以后打开my.dat