【Linux】系统文件IO·文件描述符fd

前言

C语言文件接口

C 语言读写文件

1.C语言写入文件

2.C语言读取文件

stdin/stdout/stderr

系统文件IO

文件描述符fd：

文件描述符分配规则：

文件描述符fd：

前言

我们早在C语言中学习关于如何用代码来管理文件，比如文件的输入和文件的输出，一些文件的接口，如何深入学习文件的知识，在Linux下一切皆文件，今天我们探讨Linux的基础I/O。

1>文件=内容+属性

2>访问文件之前，都需要先打开文件，并且对文件的修改都是通过执行代码的方式完成的，文件必须加载到内存中

文件被访问被修改必须得在内存中完成，因为CPU只能访问内存，所以文件必须加载到内存中。 打开文件->文件被加载到内存中

3>文件由谁打开？ -> 由进程打开文件

4> 一个进程可以打开多个文件，由操作系统管理多个被打开的文件，那么这些文件是怎样被管理的：先描述，再组织，内核中一定要有描述被打开文件的结构体，使用其定义对象

5>系统中不是所有的文件都被进程打开了，没有被打开的文件就在磁盘中

C语言文件接口

C 语言读写文件

🗡文件操作：

首先要打开文件：打开成功，返回文件指针；打开失败，返回NULL
最后要关闭文件

🗡代码操作：

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
int fclose(FILE *fp);

fwrite	size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream )
fclose	int fclose ( FILE * stream );

1.C语言写入文件

int fputs(const char *s, FILE *stream); 
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

1. 如下，我们以"w"的方式打开文件，以"w"方式打开文件会先清空文件的内容然后再向文件写入内容。

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

2. 我们使用"a"方式（append）打开文件 "a"方式是向文件的末尾追加内容

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{FILE *fp = fopen("log.txt","a");if(fp == NULL){perror("fopen");return 1;}const char* s = "hello linux\n";fwrite(s,strlen(s),1,fp);return 0;	
}

2.C语言读取文件

char *fgets(char *s, int size, FILE *stream); 
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{FILE *fp = fopen("./log.txt","r");if(fp == NULL){perror("fopen");return 1;}char buffer[64];while(fgets(buffer,sizeof(buffer),fp)){printf("%s",buffer);}return 0;	
}

stdin/stdout/stderr

C默认会打开三个输入输出流，分别是

stdin       标准输入键盘设备

stdout     标准输出显示器设备

stderr      标准错误显示器设备

仔细观察发现，这三个流的类型都是FILE*, fopen返回值类型，文件指针

stdin、stdout、stderr 都可以直接使用，例如：

系统文件IO

上面的 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

访问文件不仅仅要有C语言上的文件接口，OS必须提供对应的访问文件的系统调用

man open查看

#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);

参数：

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：

返回值：
成功：新打开的文件描述符
失败：-1

来看下面的例子

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{int fd = open("./log.txt",O_WRONLY | O_CREAT);if(fd < 0){printf("open error\n");// return 1;}close(fd);return 0;	
}

此时我们可以观察到创建出来的文件的权限是乱的

这是因为，没有这个文件，要创建它，系统层面就必须指定权限是多少！我们采用权限设置的八进制方案

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{int fd = open("./log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0644);if(fd < 0){printf("open error\n");return 1;}close(fd);return 0;	
}

此时的权限就正常了。

其中我们发现,我们传入的flag为 O_WRONLY|O_CREAT,中间为什么要用|连接起来呢：

这是一种用户层给内核传递标志位的常用做法。int有32个bit位，一个bit代表一个标志，就可以传递多个标志位且位运算效率较高。这些O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR 都是只有一个比特位是1的数据，并且相互不重复，这样 |在一起，就能传递多个标志位。

看看下面这个例子

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define ONE 1
#define TWO (1<<1)
#define THREE (1<<2)
#define FOUR (1<<3)
#define FIVE (1<<4)void Print(int flag)
{if(flag & ONE ) printf("1\n");if(flag & TWO) printf("2\n");if(flag & THREE) printf("3\n");if(flag & FOUR) printf("4\n");if(flag & FIVE) printf("5\n");
}int main()
{Print(ONE);printf("------------\n");Print(TWO);printf("------------\n");Print(ONE|TWO);printf("------------\n");Print(THREE|FOUR|FIVE);printf("------------\n");Print(ONE|TWO|THREE|FOUR|FIVE);printf("------------\n");return 0;
}

文件描述符fd：

open函数的返回值是就是文件描述符，类型为int，下面我们来看看fd的值

#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("./log1.txt",O_WRONLY | O_CREAT, 0644);int fd2 = open("./log2.txt",O_WRONLY | O_CREAT, 0644);int fd3 = open("./log3.txt",O_WRONLY | O_CREAT, 0644);int fd4 = open("./log4.txt",O_WRONLY | O_CREAT, 0644);printf("fd:%d\n",fd1);printf("fd:%d\n",fd2);printf("fd:%d\n",fd3);printf("fd:%d\n",fd4);close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);return 0;	
}

我们可以看到fd的值是从3开始的，一次打印出了3、4、5、6 那么前面的0，1，2去了哪里？

这时候我们想到了stdin，stdout，strerr ，当我们的程序运行起来变成进程，默认情况下，OS会帮助我们打开三个标准输入输出，012其实分别对应的就是标准输入stdin、标准输出stdout、标准错误stderr。对应硬件设备也是键盘、显示器、显示器。

0代表标准输入

1代表标准输出

2代表标准错误

#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
}

此时输出结果为 fd：3

再关闭0或者2

#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;
}

得到的结果会是fd：0 或者fd：2

文件描述符分配规则：

这样文件描述符被分配为01234678… 这样从0开始，连续的整数。 并且会优先分配最小的，未被使用过的。每次给新文件分配的fd，是从fd_array[]中找一个最小的、未被使用的作为新的fd。

所有的文件操作都是进程执行对应的函数，即本质上是进程对文件的操作。

如果一个文件没有被打开，这个文件是在磁盘上。如果我创建一个空文件，该文件也是要占用磁盘空间的，因为文件的属性早就存在了(包括名称、时间、类型、大小、权限、用户名所属组等等)，属性也是数据，所谓“空文件”是指文件内容为空。

即磁盘文件 = 文件内容 + 文件属性。事实上，我们之前所学的所有文件操作都可以分为两类：对文件内容的操作 + 对文件属性的操作(fseek、ftell、rewind、chmod、chgrp等等).

要操作文件，必须打开文件(C语言fopen、C++打开流、系统上open)，本质上，就是文件相关的属性信息从磁盘加载到内存。

操作系统中存在大量进程，进程可以打开多个文件，即进程 : 文件 = 1 : n ，系统中可能存在着更多的打开的文件(暂时不考虑一个文件被多个进程打开的特殊情况)。那么，OS要不要把打开的文件在内存中(系统中)管理起来呢？那么就要上管理的六字真言：先描述，再组织！

打开的这么多文件，怎么知道哪些是我们进程的呢？操作系统为了让进程和文件之间产生关联，进程在内核创建struct files_struct 的结构，这个结构包含了一个数组 struct file* fd_array[] ，也就是一个指针数组，把表述文件的结构体地址填入到特定下标中。

文件描述符fd：

此时我们cat命令查看log.txt文件，内容为空

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
int main()
{close(1);int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);printf("fd:%d\n",fd);return 0;
}

我们这段代码旨在打开log.txt文件，并且向显示器上打印fd的值。

但是我们执行程序之后，显示器上并没有出现我们期望的fd的值

反而我们cat 一下log.txt，发现fd的值竟然打印在了log.txt文件中

首先分析一下fd的值，我们关闭了"1" 此时1 就是最小的且未被使用的，所以此时open的返回值是1；

对于本应打印在显示器上的值打印在文件中这件事情，printf底层封装了一些write，stdout等

此时传给printf的fd为1，那么将文件描述符1 传递给进程后，进程就开始向log.txt文件中打印信息

同时我们也知道了 printf底层是在向标准输出(stdout)打印

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
stdout -> FIEL{fileno = 1} -> log.txt// stdout只认识1，只对1输入输出

extern ： dup2

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd); //oldfd->newfd
dup2() makes newfd be the copy of oldfd, closing newfd first if necessary, but note the following:
* If oldfd is not a valid file descriptor, then the call fails, and newfd is not closed.
* If oldfd is a valid file descriptor, and newfd has the same value as oldfd, then dup2() does nothing, and returns newfd.

拷贝的是fd对应内容，最终相当于全部变成old.