Linux文件fd剖析

学习之前,首先要认识什么是文件?

  1. 空文件也是要在内存中占据空间的,因为它还有属性数据。
  2. 文件 = 属性 + 内容
  3. 文件操作 = 对内容 + 对属性 或者对内容和属性的操作
  4. 标定一个文件的时候,必须使用:路径+文件名,文件具有唯一性
  5. 如果没有指明文件路径,默认是对当前路径的文件进行访问
  6. 文件没有被打开的时候是不能进行访问的
  7. 二进制可执行文件在没有运行的时候,所谓的文件操作都没有执行
  8. 磁盘上文件被分为被打开的文件和没有被打开的文件

总结:文件操作的本质,是进程和被打开文件之间的关系。

一、文件操作

1.1 使用C接口进行文件操作(用C语言头文件和C语言在Liunx下的表达形式)

在将我们的程序编译完成以后,再运行,发现生成了一个新的文件,并且文件中的内容和我们代码中写的一样。

  • 这个过程中,使用的是C语言的接口进行文件操作。
  • 以写的方式打开文件名问log.txt的文件,没有的这个文件的话就会创建。
  • 使用C接口向该文件中写入内容。

不同的编程语言都有文件操作的接口,包括C++,Java,Python,php等等语言,并且它们的操作接口函数都不一样,但是它们所在的系统都是Linux系统。

无论上层语言如何变化,但是进行文件操作的时候,各种语言最终都会调用Linux的文件操作的系统调用接口。

1.2 文件操作的系统调用

open函数:

可以看到,函数声明有两个,一个是两个参数的,一个是三个参数的,它们必然不是函数重载,因为Linux是用纯C实现的。

  • const char* pathname:这是文件路径,也就是我们要打开的文件所在的路径,其中包括文件名,如果没有路径只有文件名的话,默认在当前路径打开。
  • int flags:打开方式选项标志位。在使用C语言进行文件操作的时候,打开方式有“w”,“r”,“a”等方式,系统调用open也有,只是将这些标志放在了一个32位的变量中。
  • mode_t mode:它是权限值,如果这个文件不存在,那么以写的方式打开的时候就会创建这个文件,在创建文件的时候需要给这个文件设定权限(使用八进制数)。如果这个文件存在的话,那么就不用传第三个参数了,因为文件的权限已经确定了。
  • 返回值:是一个int类型的参数,具体的在后面本喵会介绍,但是如果打开失败就会返回-1。

执行我们写的代码后,log.txt文件是创建了,但是它是红色的,说明它有错误。可以看到它前面的权限是乱的,因为我们没有指定创建文件时的权限。

但是权限并不是我们设定的0666,而是0664,这是因为有默认权限掩码(umask)的影响。

此外还有close函数,write函数,使用 man + 函数名指令查看相应参数

二、文件描述符fd

在使用系统调用open时,返回的那个整数就是文件描述符。

将文件名使用宏的方式打开多个文件。

现在我们见到了文件描述符,发现它就是几个数字。

当一个文件被打开后,操作系统会创建一个对应的结构体对象,类型是struct file。

struct file
{//文件大小//文件类型......//文件的各种属性
}
  • 每打开一个文件,操作系统就会创建这样的一个结构体对象将被打开的文件描述出来。
  • 将多个这样的结构体对象采用一定的方式组织起来,比如链表的方式,以方便操作系统管理这些被打开的文件。

在描述进程的结构体task_struct中,有一个指针,struct files_struct* files,这个指针指向一个结构体对象,该对象类型如下:

struct files_struct
{//......struct file* array[];
}
  • struct files_struct结构体中存在一个指针数组array,该数组中的指针指向的是一个个struct file类型的结构体对象。
  • 换言之,该数组中放的是被打开文件结构体对象的地址。
  • 每一个被指向的struct file结构体对象都描述着一个被打开的文件。

在前面我们看到,打印出来的fd值是连续的小整数,这些小整数就是struct files_struct 结构体中指针数组struct file* array[]的下标。

文件描述符的本质,就是数组的下标。

  • 当一个程序被加载到内存中,操作系统会创建一个结构体struct task_struct对象,在该结构体中有一个指针struct files_struct* files,指向一个struct files_struct结构体对象。
  • 这个结构体也被叫做进程描述符表,该结构体中有一个数组struct file* array[],数组中存放的是被打开文件的结构体对象的地址。如上图中,下标为3,也就是fd的是3的时候,访问到的是struct file* array[3]。
  • 通过数组中访问到的地址,可以找到对应打开文件的结构体对象,如上图中的struct file log.txt。

只有被打开的文件才会在内存中创建struct file结构体对象,没有被打开的文件就静静的躺在磁盘上。

不是该进程打开的文件,该进程执行的文件描述符表中也没有这个文件的地址。

2.1 文件描述符fd=0/1/2

在上面打开多个文件的时候,我们将打开文件的fd值打印出来,发现它是从3开始的。

那么fd = 0/1/2是什么呢?

C默认会打开三个输入输出流,分别是stdin,stdout,stderr。

可以看到,这三个流是FILE*类型的指针,暂时不用管FILE是什么,只需要知道它是一个结构体。

使用C语言的文件操作结构打开一个文件,再使用系统调用去向文件中写内容。

我们此时已经确定的知道了,FILE结构体中是有文件描述符的。

文件描述符0 1 2出现了。

  • fd = 0:标准输入流(stdin)
  • fd = 1:标准输出流(stdout)
  • fd = 2:标准错误(stderr)

此时我们便清楚了为什么我们打开的文件,文件描述符是从3开始的,因为012被默认打开的三个流占据了。

2.2 文件描述符的分配规则

为什么我们打开的文件,fd是从3开始的?不是从5或者6开始的呢?

我们将fd=0的标准输入流关闭掉,再打开文件,并且打印fd值。

我们发现此时的fd成了0,而不是3了。

同样的,将fd=2的流关闭,在打开文件。

根据这个现象,可以得出结论:文件描述符fd的分别规则是:从小到大,按顺序查找,将没有被占用的数组下标作为被打开文件的文件描述符fd值。

三、重定向

3.1 输出重定向

前面我们只关闭过0和2,没有关闭过1,现在我们关闭一下1来看看。

将标准输出关闭,然后打开文件,并且打印出打开文件的文件描述符fd。

  • 因为将标准输出关闭了,所以无法显示。

根据前面分析的文件描述符分配规则,可以推断出,将标准输出关闭以后,再打开一个文件,此时这个文件的文件描述符fd等于1。

  • 在将fd=1关闭后,再打开一个文件,从小到大按顺序查找,发现数组下标为1的位置没有被占用,所以新打开文件的fd就等于1。
  • printf函数原本是要输出到标准输出的,也就是fd为1的数组中指向的struct file对象的地址。
  • 此时下标为1的数组中不再是标准输出了,而变成了我们新打开文件的地址。
  • 但是printf已经写死了,它仍然会写入到fd为1的文件中,所以原本打印在显示器上的内容此时会写入到新打开的文件中。

3.2 输入重定向

使用只读方式打开文件log.txt该文件原本就存在。

  • 将原本struct file* array[]数组中下标0的内容改成下标为fd的内容,也就是dup2(fd,0)的作用。
  • 使用标准输入函数fgets,从标准输入流也就是键盘中读取字符串。
  • 屏幕上打印读取到的内容。

运行时直接输出log.txt中的内容,没有从键盘获取数据。也就是说,fgets函数是从文件中获取到内容,而不是标准输入。

这种从标准输入到文件的重定向叫做输入重定向。

3.3 进程独立性

子进程重定向了以后,会影响父进程吗?根据进程独立性我们可以知道,肯定是不会影响到。

在子进程中进行输出重定向,父进程同样在标准输出打印。

  • 有两个进程,一个父进程,一个子进程,操作系统维护着两个task_struct结构体,如上图红色框所示。
  • 每个进程的PCB中都有一个struct files_struct*的指针files。它们各自指向的struct files_struct结构体中都有一个文件描述符表。
  • 两个文件描述符表中的内容在子进程刚创建时是一样的,所以它们都指向相同的被打开的文件。
  • 当子进程将自己文件描述符表中下标为1的文件关闭以后,并不影响父进程文件描述符表中下标为1的数组中的内容。

每个进程都会维护自己的文件描述符表,所以多个进程就会存在多个文件描述符表,但是这些表中的指针指向的被打开文件只有一套。

某个进程进行文件的打开与关闭操作时,只需要修改自己的文件描述符表就可以,不会对其他进程造成任何影响。

一切皆文件是指:在操作系统中一切都是结构体。

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