【Linux取经路】文件系统之被打开的文件——文件描述符的引入

news2024/11/27 5:37:40

在这里插入图片描述

文章目录

  • 一、明确基本共识
  • 二、C语言文件接口回顾
    • 2.1 文件的打开操作
    • 2.2 文件的读取写入操作
    • 2.3 三个标准输入输出流
  • 三、文件有关的系统调用
    • 3.1 open
      • 3.1.1 比特位级别的标志位传递方式
    • 3.2 write
      • 3.2.1 模拟实现 w 选项
      • 3.2.2 模拟实现 a 选项
    • 3.3 read
  • 四、访问文件的本质
    • 4.1 再来认识 FILE
    • 4.2 再来理解关闭文件
  • 五、结语

一、明确基本共识

  • 文件等于内容加属性，内容和和属性都是数据，不管是内容还是属性都要在磁盘中保存。

  • 文件分为打开的文件和没打开的文件。

  • 打开的文件本质是进程打开的，要研究打开的文件，本质是研究进程和文件的关系。

  • 对文件的所有操作（打开文件、读取文件、向文件写入）等，都是通过代码来实现的，而代码最终是由 CPU 去执行的，根据冯诺依曼结构体系，CPU 不能直接和外设打交道，因此一个被打开的文件，第一步一定是先将其加载到内存。

  • 一个进程能够打开多个文件，所以在操作系统内部一定存在大量的被打开的文件，操作系统还是通过先描述，再组织的方式对打开的文件进行管理。每个被打开的文件都必须有自己的文件打开对象，其中一一定包含了文件的很多属性，将这些文件对象以某种特殊的数据结构组织起来，最终对文件的管理，就变成了对某种数据结构的维护（增删查改）。

  • 没打开的文件一般都是在磁盘上放着，对于没打开的文件，由于没打开的文件非常多，所以对于没打开的文件我们最关心文件如何被分门别类的放置好，分门别类的放置好是为了快速的进行增删查改。

二、C语言文件接口回顾

2.1 文件的打开操作

// 文件打开接口
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

第一个参数 path ，表示要打开的文件路径，或者文件名。如果只有文件名前面没写路径，表示打开当前路径下的文件。这里又涉及到当前路径，在前一篇文章中实现 cd 指令的时候就讲过什么是当前路径。总的来说，当前工作路径是一个进程 PCB 中维护的一个属性。一个可执行程序在被加载到内存成为进程创建出对应的 PCB 对象的时候，PCB 对象中就维护了一个叫做 cwd 的属性，该属性就表示进程当前的工作路径。

在这里插入图片描述
如果 fopen 函数的第一个参数只传递了文件名，最终在打开文件的时候，操作系统会去 cwd 指向的工作路径下查找该文件。

第二个参数 mode，这个参数有很多可选项，今天只介绍个别选项，关于所有选项的详细介绍请看我之前的文章【C语言进阶】文件操作。

  • w选项：只要是以 w 选项打开的文件，在写入之前都会对文件做清空处理，然后从头开始写入。

  • a选项：在文件结尾进行追加写。

小Tips：我们之前介绍的重定向，> 本质上就对应使用的是 w 选项，>> 本质上就对应使用的是 a 选项。

2.2 文件的读取写入操作

和文件读取写入的相关接口，以及使用方法，今天也不过多介绍，详细介绍请看我之前写的文章【C语言进阶】文件操作。今天只想通过 fwrite 接口跟大家明确一件事情。

// fwrite 接口声明
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

int main()
{
    FILE *fp = fopen("log.txt", "w");
    if (fp == NULL)
    {
        // 打开失败
        perror("fopen");
        return errno;
    }
    // 打开成功，对文件进行相关的操作
    // ...
    char* str = "Hello Linux!";
    fwrite(str, strlen(str), 1, fp);
    // 操作结束，关闭文件
    fclose(fp);
    return 0;
}

fwrite 接口的第二个参数 size 表示每一个要写入的对象的大小。在向文件写入字符串的时候，该参数是字符串的长度还是字符串的长度加一呢？因为 strlen 计算出来的字符串长度是不包含结尾的 \0，加一的小伙伴觉得要把 \0 也写到文件里面，但是 \0 真的需要写入文件嘛？其实 \0 并不需要写入文件中，因为字符串以 \0 结尾只是 C 语言这么规定的，我们把一个字符串写入文件后，可能通过其它的语言去读取该文件，我们并不希望读到与该字符串无关的内容 \0。下面是加一的结果：

在这里插入图片描述
\0 也是字符，只不过不可显，在被写入到文件后，vim 编辑器会把它识别成 ^@，对 Hello Linux 来说，^@ 就是多余的无用字符。我们不希望它在文件中出现。

2.3 三个标准输入输出流

C程序在启动时候，默认会打开三个标准流文件：

  • stdin：标准输入流——键盘文件

  • stdout：标准输出流——显示器文件

  • stderr：标准错误流——显示器文件

三、文件有关的系统调用

文件最初是在磁盘上的，磁盘是外部设备，访问磁盘文件其实是访问硬件，在计算机层状结构中，硬件是处于最底层的，操作系统帮我们把这些硬件管理起来，并且操作系统是不相信用户的，因此操作系统不允许我们直接去访问硬件，而是给我们提供了系统调用接口，几乎所有的库只要是访问硬件设备，必定要封装系统调用。也就是说我们平时在C语言里面使用的 fopen、printf、fprintf、fscanf等函数都一定是封装了系统调用。

3.1 open

#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);

  • 第一参数 pathname：表示要打开或创建的目标文件

  • 第二个参数 flags：标志位选项。O_RDPPNLY：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 参数，来指明新文件的访问权限。O_APPEND：追加写；O_TRUNC：文件打开的时候先清空。

  • 第三个参数 mode：新创建文件的默认权限，要考虑权限掩码，可以配合 umask 系统调用接口来设置自己想要的效果。umask 系统调用产生的效果就只对当前进程创建的文件有关。

  • 返回值：成功，返回新打开的文件描述符，关于文件描述符是什么，将在后文为大家介绍；失败，返回-1。

小Tips：open 函数具体使用哪个，和具体的应用场景有关，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。如果不需要创建新文件，使用两个参数的 open。

3.1.1 比特位级别的标志位传递方式

#define ONE (1<<0) // 1
#define TWO (1<<1) // 2
#define FOU (1<<2) // 4
#define EIG (1<<3) // 8

void show(int flags)
{
    if(flags & ONE) printf("function1\n");
    if(flags & TWO) printf("function2\n");
    if(flags & FOU) printf("function3\n");
    if(flags & EIG) printf("function4\n");

    return;
}

int main()
{
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE);
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE | TWO);
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE | TWO | FOU );
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE | TWO | FOU | EIG);
    printf("--------------------------------------\n");
    return 0;
}

在这里插入图片描述
小Tips：这种比特位级别的标志位传递方式，使用户可以在函数调用的时候采用按位或的方式传递多个选项实现不同的功能。open 函数的第二个参数就是采用这种方式就是这样。

3.2 write

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

  • 第一个参数 fd：表示待写入文件的文件描述符。

  • 第二个参数 buf：指向待写入的文件内容。

  • 第三个参数 count：待写入内容的大小，单位是字节。

  • 返回值：实际上写入的字节数。

3.2.1 模拟实现 w 选项

int main()
{
    umask(0); // 将权限掩码设置成全0
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); // 以读的方式打开，若文件不存在就创建，打开文件时清空
    if(fd < 0)
    {
        printf("open file\n");
        return errno;
    }

    const char* str = "aaa";
    ssize_t ret = write(fd, str, strlen(str));

    close(fd);

    return 0;
}

在这里插入图片描述

3.2.2 模拟实现 a 选项

int main()
{
    umask(0); // 将权限掩码设置成全0
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 以读的方式打开，若文件不存在就创建，以追加的方式进行写入
    if(fd < 0)
    {
        printf("open file\n");
        return errno;
    }

    const char* str = "aaa";
    ssize_t ret = write(fd, str, strlen(str));

    close(fd);

    return 0;
}

在这里插入图片描述

3.3 read

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

  • 第一个参数 fd：要读取文件的文件描述符。

  • 第二个参数 buf：指向一段空间，该空间用来存储读取到的内容。

  • 第三个参数 count：参数二指向空间的大小。

四、访问文件的本质

在这里插入图片描述

总结：一个被打开的文件，加载到内存，会为该文件创建一个 struct file 结构体对象，操作系统对文件的管理本质上就是对 struct file 结构体对象的管理，操作系统会将当前所有被打开文件的 struct file 对象以双链表的形式组织起来。进程的 PCB 对象中有一个 struct files_struct 类型的指针，指向该类型的一个对象，该类型对象里面记录了当前进程所打开的所有文件新信息，其中中维护了一个 struct file* 类型的数组，数组的内容就指向了当前进程所打开的文件结构体对象，简言之就是指向了当前进程打开的文件。我们将这个数组就叫做文件描述符表，数组的下标就叫做文件描述符（因此文件描述符一定大于0）。open 函数的返回值其实就是文件描述符，即只要当前进程打开一个新文件，操作系统就会按照从前往后的顺序从该进程的文件描述符表中分配一个数组下标，该下标对应的内存空间中存储的就是该文件结构的地址。此后要对该文件进行任何操作，只需要知道它对应的数组下标即可。

int main()
{
    umask(0); // 将权限掩码设置成全0
    int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 以读的方式打开，若文件不存在就创建，以追加的方式进行写入
    int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd3 = open("log3.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd4 = open("log4.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    printf("fd1: %d\n", fd1);
    printf("fd2: %d\n", fd2);
    printf("fd3: %d\n", fd3);
    printf("fd4: %d\n", fd4);

    return 0;
}

在这里插入图片描述
小Tips：通过结果可以看出，进程新打开的文件，其下标只能从3，开始，这是因为 C 程序在运行起来的时候操作系统会默认帮我们打开三个流，标准输入流 stdin 对应键盘文件，下标为0；标准输出流 stdout 对应显示器文件，下标为1；标准错误流 stderr 对应显示器文件，下标为2。从这里可以的出一个结论，默认打开三个标准输入输出流并不是 C 语言的特性，而是操作系统的特性，所有语言编写的程序运行起来后都会打开。操作系统为什么要帮我们打开呢？因为电脑在开机的时候，键盘和显示器就已经被打开了，我们在编程的时候，一般都会用键盘输入和通过显示器查看结果。

文件描述符对应的分配规则：从0下标开始，寻找最小的没有使用的数组位置，它的下标就是新打开文件的文件描述符。

4.1 再来认识 FILE

FILE 是 C 语言库中自己封装的一个结构体，在 C 语言中，通过 FILE 对象去描述文件。可以确定，FILE 中一定封装了文件描述符。如下面代码，FILE 中的 _fileno 属性就是文件描述符。

int main()
{
    printf("stdin->fd: %d\n", stdin->_fileno); // 标准输入
    printf("stdout->fd: %d\n", stdout->_fileno); //标准输出
    printf("stderr->fd: %d\n", stderr->_fileno); // 标准错误
    return 0;
}

在这里插入图片描述

4.2 再来理解关闭文件

一个文件可以被多个进程同时打开，最常见的比如键盘文件，显示器文件。在 struct file 对象中有一个 f_count 字段，叫做当前文件的引用计数，记录了当前文件被多少个进程打开了，在进程视角关闭文件就是调用 close 系统调用，将对应下标里面的内容置为 NULL，这是进程系统需要执行的工作。置空后操作系统会把该文件描述对应文件结构体对象中的 f_count 字段减减，然后判断 f_count 是否为0，如果不为0就什么也不干，如果为0，操作系统才将对应的 struct file 对象回收，这是文件系统执行的工作。从这儿可以看出，文件描述符表的存在，将进程系统和文件系统进行了完美的解藕。这不禁让我想起了前面的虚拟地址（进程地址空间）和页表的存在将进程系统和内存系统进行解藕。Linux 操作系统的设计真的让人拍案叫绝！

int main()
{
    close(1); // 将 stdout 关闭
    int ret = printf("stdin->fd: %d\n", stdin->_fileno);
    printf("stdout->fd: %d\n", stdout->_fileno);
    printf("stderr->fd: %d\n", stderr->_fileno);

    fprintf(stderr, "printf ret: %d\n", ret);
    return 0;
}

在这里插入图片描述
代码分析：close(1) 表示将标准输出关闭，1下标指向显示器文件，printf 就是向标准输出中进行写入，关闭后，三条 printf 函数都没有将内容成功打印到显示器上。根据上面的分析，虽然把标准输出关了，但是标准错误也指向显示器，所以在调用 fprintf 向标准错误中写入时，我们可以在显示器上看到打印结果。其次，printf 执行成功，返回值表示写入的字符个数，可以看出虽然我们通过系统调用直接把标准输出给关了，但是 printf 还是认为它写入成功。

五、结语

今天的分享到这里就结束啦！如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下，春人的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是春人前进的动力！

在这里插入图片描述

本文来自互联网用户投稿，该文观点仅代表作者本人，不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处：http://www.coloradmin.cn/o/1450928.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请联系多彩编程网进行投诉反馈，一经查实，立即删除！

相关文章

leetcode（二分查找）34.在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置（C++详细解释）DAY11

leetcode（二分查找）34.在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置（C++详细解释）DAY11

文章目录 1.题目示例提示 2.解答思路3.实现代码结果 4.总结 1.题目 给你一个按照非递减顺序排列的整数数组 nums&#xff0c;和一个目标值 target。请你找出给定目标值在数组中的开始位置和结束位置。 如果数组中不存在目标值 target&#xff0c;返回 [-1, -1]。 你必须设计…
阅读更多...
多线程基础使用

多线程基础使用

提示&#xff1a;有关线程六大状态, 以及创建线程的五种方法 线程 线程线程状态NEWRUNNABLEBLOCKEDWAITINGTIMED_WAITINGTERMINATED 线程状态转化图线程创建使用方式ps 线程 线程状态 操作系统的线程主要有以下三个状态&#xff1a; 就绪状态(ready)&#xff1a;线程正在等待使…
阅读更多...
Uipath 实现Excel 文件合并

Uipath 实现Excel 文件合并

场景描述 某文件夹下有多个相同结构(标题列相同)的Excel 文件&#xff0c;需实现汇总到一个Excel文件。 常见场景有销售明细汇总&#xff0c;订单汇总等。 解决方案 对于非IT 人员则可使用Uipath 新式Excel活动&#xff0c;通过拖拉实现。也可以通过内存表或使用VB脚本&…
阅读更多...
neo4j下载安装最新教程 2024.02

neo4j下载安装最新教程 2024.02

文章目录 neo4j简介neo4j与jdk版本对应neo4j历史版本 下载地址配置环境变量命令行启动验证安装结果 neo4j简介 Neo4j 是一个高性能的 NoSQL 图形数据库&#xff0c;它将结构化数据存储在网络&#xff08;从数学角度叫做图&#xff09;上而不是表中。Neo4j 也可以被看作是一个高…
阅读更多...
相机图像质量研究(20)常见问题总结：CMOS期间对成像的影响--全局快门/卷帘快门

相机图像质量研究(20)常见问题总结：CMOS期间对成像的影响--全局快门/卷帘快门

系列文章目录 相机图像质量研究(1)Camera成像流程介绍 相机图像质量研究(2)ISP专用平台调优介绍 相机图像质量研究(3)图像质量测试介绍 相机图像质量研究(4)常见问题总结&#xff1a;光学结构对成像的影响--焦距 相机图像质量研究(5)常见问题总结&#xff1a;光学结构对成…
阅读更多...
代码随想录算法训练营第三三天 | K次取反后最大化数组和、加油站、分发糖果

代码随想录算法训练营第三三天 | K次取反后最大化数组和、加油站、分发糖果

目录 K次取反后最大化的数组和加油站分发糖果 LeetCode 1005. K次取反后最大化的数组和 LeetCode 134. 加油站 LeetCode 135. 分发糖果 K次取反后最大化的数组和 局部最优&#xff1a;让绝对值大的负数变为正数&#xff0c;当前数值达到最大。 整体最优&#xff1a;整个数组和…
阅读更多...
机器学习入门--门控循环单元(GRU)原理与实践

机器学习入门--门控循环单元(GRU)原理与实践

GRU模型 随着深度学习领域的快速发展&#xff0c;循环神经网络&#xff08;RNN&#xff09;已成为自然语言处理&#xff08;NLP&#xff09;等领域中常用的模型之一。但是&#xff0c;在RNN中&#xff0c;如果时间步数较大&#xff0c;会导致梯度消失或爆炸的问题&#xff0c;…
阅读更多...
超详细的介绍Python语句

超详细的介绍Python语句

一、 常用命令 在介绍Python语句之前&#xff0c;先介绍一下几个有用的Python命令。 dir(模块名或类名或变量名或表达式名)&#xff1a;获得当前模块、变量对应类型、表达式计算值对应类的属性列表 type&#xff08;变量名或表达式名&#xff09;:获取变量或表达式计算值的对…
阅读更多...
[嵌入式系统-14]：常见实时嵌入式操作系统比较：RT-Thread、uC/OS-II和FreeRTOS、Linux

[嵌入式系统-14]：常见实时嵌入式操作系统比较：RT-Thread、uC/OS-II和FreeRTOS、Linux

目录 一、实时嵌入式操作系统 1.1 概述 1.2 什么“实时” 1.3 什么是硬实时和软实时 1.4 什么是嵌入式 1.5 什么操作系统 二、常见重量级操作系统 三、常见轻量级嵌入式操作系统 3.1 概述 3.2 FreeRTOS 3.3 uC/OS-II 3.4 RT-Thread 3.5 RT-Thread、uC/OS-II、Free…
阅读更多...
第5讲前端静态登录页面实现

第5讲前端静态登录页面实现

前端静态登录页面实现 引入全局样式&#xff1a; main.js导入样式文件&#xff1a; import /assets/styles/border.css import /assets/styles/reset.css加路由&#xff1a; const routes [{path: /login,name: login,component: () > import(../views/Login.vue)} ]App…
阅读更多...
pytorch tensor维度变换

pytorch tensor维度变换

目录 1. view/reshape2. squeeze/unsqueeze3. expand 扩展4. repeat5 .t转置6. transpose7. permute 1. view/reshape view(*shape) → Tensor 作用&#xff1a;类似于reshape&#xff0c;将tensor转换为指定的shape&#xff0c;原始的data不改变。返回的tensor与原始的tensor…
阅读更多...
LD-802D-X6

LD-802D-X6

LD-802D-X6足浴按摩器&#xff0c;买个给老人家&#xff0c;解决泡脚越泡越冷&#xff0c;调节温度和定式问题&#xff0c; 按摩功能老人体验说太痒&#xff0c;转太快了&#xff0c;哈哈 下面是安装步骤使用说明 其实这包零件就是安装底部4个轮子&#xff0c;4个轮子的中间滚…
阅读更多...
单片机学习笔记---LCD1602

单片机学习笔记---LCD1602

LCD1602介绍 LCD1602&#xff08;Liquid Crystal Display&#xff09;液晶显示屏是一种字符型液晶显示模块&#xff0c;可以显示ASCII码的标准字符和其它的一些内置特殊字符&#xff08;比如日文的片假名&#xff09;&#xff0c;还可以有8个自定义字符 显示容量&#xff1a;…
阅读更多...
基于GPT一键完成数据分析全流程的AI Agent: Streamline Analyst

基于GPT一键完成数据分析全流程的AI Agent: Streamline Analyst

大型语言模型&#xff08;LLM&#xff09;的兴起不仅为获取知识和解决问题开辟了新的可能性&#xff0c;而且催生了一些新型智能系统&#xff0c;例如旨在辅助用户完成特定任务的AI Copilot以及旨在自动化和自主执行复杂任务的AI Agent&#xff0c;使得编程、创作等任务变得高效…
阅读更多...
gem5 garnet 合成流量: packet注入流程

gem5 garnet 合成流量: packet注入流程

代码流程 下图就是全部. 剩下文字部分是细节补充,但是内容不变: bash调用python,用python配置好configuration, 一个cpu每个tick运行一次,requestport发出pkt. bash 启动 python文件并配置 ./build/NULL/gem5.debug configs/example/garnet_synth_traffic.py \--num-cpus…
阅读更多...
计算机网络——12DNS

计算机网络——12DNS

DNS DNS的必要性 IP地址标识主机、路由器但IP地址不好记忆&#xff0c;不便于人类用使用&#xff08;没有意义&#xff09;人类一般倾向于使用一些有意义的字符串来标识Internet上的设备存在着“字符串”——IP地址的转换的必要性人类用户提供要访问机器的“字符串”名称由DN…
阅读更多...
解线性方程组（二）——Jacobi迭代法求解（C++）

解线性方程组（二）——Jacobi迭代法求解（C++）

迭代法 相比于直接法求解&#xff0c;迭代法使用多次迭代来逐渐逼近解&#xff0c;其精度比不上直接法&#xff0c;但是其速度会比直接法快很多&#xff0c;计算精度可控&#xff0c;特别适用于求解系数矩阵为大型稀疏矩阵的方程组。 Jacobi迭代法 假设有方程组如下&#xf…
阅读更多...
【C++】实现Date类的各种运算符重载

【C++】实现Date类的各种运算符重载

上一篇文章只实现了operator操作符重载&#xff0c;由于运算符较多&#xff0c;该篇文章单独实现剩余所有的运算符重载。继续以Date类为例&#xff0c;实现运算符重载&#xff1a; 1.Date.h #pragma once#include <iostream> #include <assert.h>using namespace …
阅读更多...
WebSocket | 基于TCP的全双工通信网络协议

WebSocket | 基于TCP的全双工通信网络协议

文章目录 1、介绍2、示例2.1、分析2.2、代码开发2.3、功能测试 ​&#x1f343;作者介绍&#xff1a;双非本科大三网络工程专业在读&#xff0c;阿里云专家博主&#xff0c;专注于Java领域学习&#xff0c;擅长web应用开发、数据结构和算法&#xff0c;初步涉猎Python人工智能开…
阅读更多...
qt-C++笔记之打印所有发生的事件

qt-C++笔记之打印所有发生的事件

qt-C笔记之打印所有发生的事件 code review! 文章目录 qt-C笔记之打印所有发生的事件1.ChatGPT问答使用 QApplication 的 notify 方法使用 QObject 的 event 方法 2.使用 QObject 的 event 方法3.使用 QApplication 的 notify 方法 1.ChatGPT问答 在Qt C中&#xff0c;若要打…
阅读更多...
推荐文章
最新文章

Copyright @ 2022~2023