文件描述符（File Descriptor）

一、介绍

内核（kernel）利用文件描述符（file descriptor）来访问文件。文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。

二、功能

文件描述符

文件描述符（File Descriptor）是一个整型，可以理解为一个指向文件的指针。需要注意的就是，一个进程在结束的时候会关闭所有打开的文件描述符，但是0,1,2除外。0,1,2，分别代表标准输入流，标准输出流和标准错误流。这3个文件描述符是由kernel打开和进行管理的，不需要我们来打开和关闭。

文件描述符表

每个表项包含一个指向已打开的文件的指针，如下图所示

• 每个进程的文件描述符表是一个数组，数组的索引是文件描述符（fd），数组的值是指向 文件表 中某个条目的指针。

• 文件表是内核维护的全局数据结构，包含文件的打开模式、读写位置等信息。

当调用open打开一个文件或创建一个新文件时，内核分配一个文件描述符并返回给用户程序，该文件描述符表项中的指针指向新打开的文件。当读写文件时，用户程序把文件描述符传给read或write，内核根据文件描述符找到相应的表项，再通过表项中的指针找到相应的文件。

我们知道，程序启动时会自动打开三个文件：标准输入、标准输出和标准错误输出。在C标准库中
分别用FILE *指针stdin、 stdout和stderr表示。这三个文件的描述符分别是0、 1、 2，保存在相应
的FILE结构体中。这3个文件描述符是由kernel打开和进行管理的，不需要我们来打开和关闭。

头文件unistd.h中有如下的宏定义来表示这三个文件描述符：

 

三、文件描述符的创建

文件描述符是通过系统调用创建的，常见的系统调用包括：

• open()：打开文件，返回文件描述符。

• socket()：创建套接字，返回文件描述符。

• pipe()：创建管道，返回两个文件描述符（一个用于读，一个用于写）。

• dup() 和 dup2()：复制文件描述符。

示例：使用 open() 创建文件描述符

四. 文件描述符的复制

• dup()：复制一个文件描述符，返回一个新的文件描述符。

• dup2()：复制一个文件描述符，并指定新的文件描述符编号。

示例：使用 dup2() 重定向标准输出

五. 文件描述符的关闭

• 使用 close() 系统调用关闭文件描述符。

• 关闭文件描述符会释放相关资源，并将其从文件描述符表中移除。

示例：关闭文件描述符

六. 文件描述符的限制

• 每个进程的文件描述符数量是有限制的。

可以通过以下命令查看当前系统的文件描述符限制：

• ulimit -n

• 可以通过修改 /etc/security/limits.conf 或使用 ulimit 命令调整限制。

七. 文件描述符与 I/O 多路复用

在 Linux 中，文件描述符是 I/O 多路复用（如 select、poll、epoll）的基础。这些机制允许程序同时监控多个文件描述符的状态。

示例：使用 select 监控文件描述符

八. 文件描述符与进程间通信

文件描述符在进程间通信（IPC）中扮演重要角色，例如：

• 管道（pipe）：通过 pipe() 创建两个文件描述符，一个用于读，一个用于写。

• 套接字（socket）：通过 socket() 创建文件描述符，用于网络通信。

示例：使用管道进行进程间通信

九. 文件描述符的高级用法

• fcntl()：用于控制文件描述符的属性，例如设置非阻塞模式。

• ioctl()：用于设备文件的控制操作。

• sendfile()：高效地在文件描述符之间传输数据。

示例：使用 fcntl() 设置非阻塞模式

十、总结

文件描述符是 Linux 中管理文件和 I/O 操作的核心概念。通过文件描述符，程序可以访问文件、管道、套接字等资源。理解文件描述符的工作原理对于编写高效的 Linux 程序至关重要。

 

 

参考：

文件描述符（File Descriptor）简介-优快云博客