[Linux]文件/文件描述符fd

本文主要是介绍[Linux]文件/文件描述符fd，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、关于文件

文件＝内容＋属性

那么所有对文件的操作，就是对内容/属性操作。
内容是数据，属性也是数据，那么存储文件，就必须既存储内容数据，又存储属性数据。默认就是在磁盘中的文件。
当进程访问一个文件时，都需要先把文件打开。对于普通的磁盘文件，“打开”就是将文件加载到内存。
一个进程可以通过操作系统（操作系统提供系统调用接口）打开多个文件，多个进程可以通过操作系统打开多个文件。加载到内存中被打开的文件可能会存在多个。（进程：打开的文件 = 1 ： n）
加载磁盘上的文件，一定会涉及访问磁盘设备，是由操作系统来做的。

操作系统在运行时，可能会打开很多文件，那么，操作系统该如何对文件进行管理呢？

一个文件要被打开，一定要在内核中先形成被打开的文件对象，例如：

struct file
{//文件的属性struct file* next;...
}

文件的属性与文件内容一样，在磁盘中同样有保存。

我们使用链表对这些对象进行管理。那么，对于文件的管理，就转换成了对链表的增删查改。

被打开的文件在内存中，未被打开的文件在磁盘中。所有的文件操作，都是在内存中操作的。

因此，研究文件操作的本质就是研究进程和被打开文件的关系。

二、常见文件接口（C语言）

1、fopen

我们可以在Linux中使用man来查看fopen的手册（man fopen）：

打开的模式：

以“w”方式打开为例：

当文件以“w”方式打开时，若该文件不存在，则自动创建文件。

打开文件时，会先清空文件内容。

#include<stdio.h>//以"w"打开，若文件不存在则自动创建该文件
int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt","w");if(NULL == fp){perror("fopen");return 1;}const char* s = "hello world\n";int i = 0;for(i = 0; i < 10; i++){fputs(s,fp);}fclose(fp);return 0;
}

在执行该程序之前，当前目录下只有两个文件。

make会产生一个myfile.c的可执行文件myfile。

执行该程序后，当前目录下出现了一个新文件：log.txt。

我们可以看到此时该log.txt文件中，就写入了我们程序中设定的内容。

我们对该C程序进行修改：

#include<stdio.h>//以"w"打开，若文件不存在则自动创建该文件
int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt","w");if(NULL == fp){perror("fopen");return 1;}fputs("aaa\n",fp);fclose(fp);return 0;
}

重复执行上述内容（注意：我们的log.txt文件并未删除，仍旧存在），我们再次查看log.txt中的内容：

可以看出，之前写入的内容已经被清空。

注：我们使用“> log.txt”也可以实现对该文件进行清空。“>”是重定向，向文件写入。要向文件写入，就一定要打开文件。此时文件内容就会被清空。

以"a"方式打开为例：

append：追加。

“a”方式也是写入，只不过是从文件结尾进行写入。

我们将myfile.c文件进行修改：

#include<stdio.h>int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt","a");if(NULL == fp){perror("fopen");return 1;}fputs("bbbbbbbbb\n",fp);fclose(fp);return 0;
}

运行该程序，我们可以看出，原先log.txt文件中的内容并未变化，我们是在此基础上追加了内容。

我们可以不断执行，不断追加。

注：我们使用“echo “cc” >> log.txt”也可以实现追加。

2、

三、系统调用接口

由于打开文件的操作只能由操作系统来完成，所以我们C语言中打开文件的接口，底层一定是封装了系统调用接口的。

1、open

第一个参数是文件名称（不带路径默认当前路径下）。

第二个参数是flags：

第三个参数表示我们要以什么权限来创建新文件。

返回值：

file descriptor文件描述符：fd

模拟fopen（"filename","w"）：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>int main()
{//umask(0);//权限掩码改为0 //O_TRUNC:将打开的文件的长度清零（清空）int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if(fd < 0){perror("open");return 1;}const char* s = "abc\n";write(fd, s, strlen(s));close(fd);return 0;
}

模拟fopen("filename","a") ：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>int main()
{//O_APPEND：在文件末尾进行写入（追加）int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);if(fd < 0){perror("open");return 1;}const char* s = "abc\n";write(fd, s, strlen(s));close(fd);return 0;
}

四、fd:文件描述符

返回值类型为int，那么fd究竟是什么？

我们可以输出fd观察：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>int main()
{int fd1 = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);int fd2 = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);int fd3 = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);int fd4 = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);printf("fd1:%d\nfd2:%d\nfd3:%d\nfd4:%d\n",fd1,fd2,fd3,fd4);close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);return 0;
}

可以看到，fd是连续的整数。

当进程打开文件时，操作系统会给每一个文件创建文件对象（被打开文件的描述结构体对象），并对它们使用链表进行维护。

操作系统需要对进程（task_struct）和打开的文件（struct file）之间的对应关系进行维护，就产生了struct files_struct。而task_struct中包含：struct files_struct* files，该指针就指向struct files_struct。

struct files_struct这个结构体中，包含了一个数组：struct file* fd_array[]。该数组中，存放struct file的地址。

因此，当进程打开文件时，操作系统会创建struct file对象，并在该数组：struct file* fd_array[]中查询可使用的下标，将struct file对象的地址填入到该下标的位置。然后将该数组的下标返回，我们将该数字称为文件描述符。我们将struct file* fd_array[]称为：进程文件描述符表。

因此，文件描述符fd本质就是数组的下标。

那么，为什么我们显示打印的fd是从3开始的呢？

这是因为进程在运行的时候，默认打开：

标准输入：键盘 stdin 0

标准输出：显示器 stdout 1

标准错误：显示器 stderr 2

stdin/stdout/stderr都是FILE*类型。FILE是一个结构体，其中封装了文件描述符。

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>int main()
{printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);return 0;
}