【Linux】文件描述符 - fd

1. open 接口介绍

使用 man open 指令查看手册：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

pathname: 要打开或创建的目标文件
flags: 打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行“或”运算，构成flags。
参数:
		O_RDONLY: 只读打开
		O_WRONLY: 只写打开
		O_RDWR  : 读，写打开
				  这三个常量，必须指定一个且只能指定一个
		O_CREAT : 若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明新文件的访问权限
		O_APPEND: 追加写	
返回值：
		成功：新打开的文件描述符
		失败：-1

open 函数具体使用哪个，和具体应用场景有关。如：目标文件不存在，需要 open 创建，则第三个参数表示创建文件的默认权限；否则使用两个参数的 open。

write read close lseek ，类比 C 文件相关接口。

1.1 代码演示

操作文件，除了使用 C 语言的接口【Linux】回顾 C 文件接口，还可以采用系统接口来进行文件访问；

写文件：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    umask(0);
    int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    int count = 5;
    const char* msg = "hello open!\n";
    int len = strlen(msg);

    while (count--)
    {
        write(fd, msg, len);
        // fd : 下面介绍
        // msg : 缓冲区首地址
        // len : 本次读取，期望写入多少个字节的数据
        // 返回值 : 实际写了多少字节数据
    }

    close(fd);

    return 0;
}

读文件：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int fd = open("myfile", O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    
    const char* msg = "hello open!\n";
    char buf[1024];
    while (1)
    {
        ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg)); // 类比write
        if (s > 0)
        {
            printf("%s", buf);
        }
        else
        {
            break;
        }
    }

    close(fd);
    return 0;
}

1.2 open 函数返回值

在认识返回值之前，先来认识两个概念：系统调用 和 库函数 ：

• fopen fclose fread fwrite 都是 C 标准库当中的函数，我们称之为库函数（libc）；
• 而 open close read write lseek 都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口；

• 系统调用接口与库函数的关系如上图；
• 所以，可以认为，f# 系列的函数，都是对系统调用的封装，方便二次开发。

2. 文件描述符 fd

• 文件描述符的本质，就是数组下标！！！

2.1 0 / 1 / 2

• Linux 进程默认情况下会有 3 个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入 0，标准输出 1，标准错误 2；
• 0，1，2 对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器；
• 所以输入输出也可以采用如下方式：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main()
{
    char buf[1024];
    ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));
    if (s > 0)
    {
        buf[s] = 0;
        write(1, buf, strlen(buf));
        write(2, buf, strlen(buf));
    }
    return 0;
}

• 现在我们知道，文件描述符就是从 0 开始的小整数；
• 当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件，于是就有了 file 结构体，表示一个已经打开的文件对象；
• 而进程执行 open 系统调用，就必须让进程和文件关联起来；
• 每个进程都有一个指针 *files ，指向一张表 files_struct ，该表最重要的部分就是包含一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针；
• 所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件。

2.2 文件描述符的分配规则

直接看代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    int fd = open("myfile", O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);

    close(fd);
    return 0;
}

输出发现是 fd: 3 ，

关闭 0 或者 2，再看：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    close(0);
    //close(2);
    int fd = open("myfile", O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);

    close(fd);
    return 0;
}

发现结果是：fd: 0 或者 fd: 2 ，

可见，文件描述符的分配规则：在 files_struct 数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符，会分配给最新打开的文件。

3. 重定向

那如果关闭 1 呢？看代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    close(1);
    int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 00644);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
    fflush(stdout);

    close(fd);
    exit(0);
}

此时，我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件 myfile 当中，其中 fd = 1。这种现象叫做输出重定向。

常见的重定向有：> ，>> ，< 。

那重定向的本质是什么呢？

3.1 dup2 系统调用函数

函数原型如下：

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

函数简介：

makes newfd be the copy of oldfd, closing newfd first if necessary, but note the following:
将newfd设置为oldfd的副本，并在必要时先关闭newfd，但请注意以下事项:

*	If oldfd is not a valid file descriptor, then the call fails, and newfd is not closed.
	如果oldfd不是有效的文件描述符，则调用失败，newfd不会关闭。

*	If oldfd is a valid file descriptor, and newfd has the same value as oldfd, then dup2() does nothing, and returns newfd.
	如果oldfd是一个有效的文件描述符，并且newfd与oldfd具有相同的值，那么dup2()什么都不做，并返回newfd。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR, 0644);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    close(1);
    dup2(fd, 1);

    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        char buf[1024] = { 0 };
        ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
        if (read_size < 0)
        {
            perror("read");
            break;
        }
        printf("%s", buf);
        fflush(stdout);
    }
    return 0;
}

• printf 是 C 库当中的 IO 函数，一般往 stdout 中输出，但是 stdout 底层访问文件的时候，找的还是 fd:1 ；
• 但此时 fd:1 下标所表示的内容已经变成了 log 的地址，不再是显示器文件的地址；
• 所以，输出的任何消息都会往文件中写入，进而完成输出重定向。

4. FILE 与 缓冲区

• 因为 IO 相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过 fd 访问的。
• 所以 C 库当中的 FILE 结构体内部，必定封装了 fd。
• 缓冲区就是一块内存区域，其存在目的是为了提升使用者的效率（用空间换时间）。
• 我们这里说的缓冲区是语言层面的缓冲区，也就是 C 自带的缓冲区，跟内核中的缓冲区没有关系。
• 缓冲区刷新方式：
  • 无缓冲 - 无刷新；
  • 行缓冲 - 行刷新 ：写满一行才刷新，我们平时写代码经常会遇到缓冲区的问题；
  • 全缓冲 - 全部刷新：在普通文件中写入时，缓冲区被写满，才刷新！
  • 强制刷新：使用各种方法让缓冲区强制刷新，如：fflush() 函数；
  • 自动刷新：程序退出的时候会自动刷新。

来段代码研究一下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    const char* msg0 = "hello printf\n";
    const char* msg1 = "hello fwrite\n";
    const char* msg2 = "hello write\n";

    printf("%s", msg0);
    fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);
    write(1, msg2, strlen(msg2));

    fork();

    return 0;
}

运行出结果：

hello printf
hello fwrite
hello write

但如果对进程实现输出重定向呢？./a.out > file ，我们发现结果变成了：

hello write
hello printf
hello fwrite
hello peintf
hello fwrite

我们发现 printf 和 fwrite（库函数）都输出了 2 次，而 write 只输出了一次（系统调用）。

为什么呢？肯定和 fork 有关：

• 一般 C 库函数写入文件是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲。
• printf fwrite 库函数会自带缓冲区（进度条例子可以说明【Linux】编写第一个小程序：进度条），当发生重定向到普通文件时，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。
• 而我们放在缓冲区中的数据，就不会被立即刷新，即使是 fork 之后；
• 但是进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中。
• 但是 fork 的时候，父子数据会发生写时拷贝，所以当你父进程准备刷新的时候，子进程也就有了同样的一份数据，随即产生两份数据。
• write 没有变化，说明没有所谓的缓冲。

综上：printf fwrite 库函数会自带缓冲区，而 write 系统调用没有带缓冲区。另外，我们这里所说的缓冲区，都是用户级缓冲区。其实为了提升整机性能，OS 也会提供相关内核级缓冲区，不过不在我们讨论范围之内。那这个缓冲区谁提供呢？printf fwrite 是库函数，writre 是系统调用，库函数在系统调用的“上层”，是对系统调用的“封装”，但是 write 没有缓冲区，而 printf fwrite 有，足以说明，该缓冲区是二次加上的，又因为是 C，所以由 C 标准库提供。

---

END