文件描述符fd与文件指针FILE*的关系

本文介绍了文件指针和文件描述符的概念及其在C语言中的应用。解释了两者之间的区别和联系,并展示了如何通过特定函数实现它们之间的转换。此外,还详细说明了FILE结构体的各个成员变量的作用。

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文件指针是指向一个FILE的结构体,这个结构体里包括一个文件描述符(在Windows下也被称为文件句柄)和一个I/O缓冲区。文件描述符用于C标准的IO库调用中,用于标识文件。FILE中包含文件描述符元素,可以用fopen()直接获取指针fp,然后使用fp获得fp中所包含文件描述符fd的信息。文件描述符应该是唯一的,而文件指针却不是唯一的,但指向的对象是唯一的。文件指针fd更适合跨平台。

文件描述符就是open文件时产生的一个很小的正整数,是一个索引值,它用于UNIX系统中,用于标识文件。内核会为每一个运行中的进程在进程控制块PCB中维护一个打开文件的记录表,也就是文件对象表,每一个表项都有一个指针指向打开的文件,上边的索引值就是记录表的索引值。

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)

FILE的结构
typedef struct _iobuf FILE;
struct _iobuf {
        char *_ptr;          //缓冲区当前指针
        int   _cnt;
        char *_base;       //缓冲区基址
        int   _flag;          //文件读写模式
        int   _file;           //文件描述符
        int   _charbuf;     //缓冲区剩余自己个数
        int   _bufsiz;       //缓冲区大小
        char *_tmpfname;
        };


<think>我们正在讨论流指针FILE*)和文件描述符(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. **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和流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,提供了缓冲和更易用的接口。 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*文件描述符(int fd)的关系解析 #### 1. **核心关系:封装层级**指针(`FILE*`)是**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] - **指针**:应用层抽象,是包含文件描述符和缓冲区的结构体[^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和系统调用时 | | 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**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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