【Linux】系统文件IO·文件描述符fd

news2025/1/18 11:00:13

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);

fwritesize_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream )
fcloseint 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. 

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