文件描述符

对于内核而言，所有打开文件都由文件描述符引用

• 文件描述符是一个非负整数
• 当打开一个现存文件或创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。

当读，写一个文件时，用open或creat返回的文件描述符标识该文件，然后将其作为参数传送给read或write.

• 按照惯例，linux shell使文件描述符0与进程的标准输入相结合，文件描述符1与标准输出相结合，文件描述符2与标准出错输出相结合。

• 文件描述符的本质是一个非负整数，当打开一个文件时，该整数由系统来分配。文件描述符的范围是0-OPEN_MAX 早期的UNIX版本OPEN_MAX=19,即允许每个进程同时打开20个文件，现在很多系统则将其增加至1024.

• 静态文件

  • 未打开时，存放在块设备中的文件系统中的文件

• 动态文件

  • 当打开文件时，Linux内核会在进程中建立一个该文件的数据结构，记录该文件已被打开，同时申请一段内存空间，再将静态文件的内容从块设备中读取到内存中特定的地址管理存放

  • 当关闭动态文件时，close内部内核将内存中的动态文件更新至静态文件。

相关系统调用

• 系统调用是指操作系统提供给用户程序调用的一组“特殊”接口，用户程序可以通过这组“特殊”接口来获得操作系统内核提供的服务。

  • 例如用户可以通过进程控制相关的系统调用来创建进程、实现进程调度、进程管理等。

• 为什么用户程序不能直接访问系统内核提供的服务呢？
  为了更好地保护内核空间，将程序的运行空间分为内核空间和用户空间（内核态和用户态)。

• 用户进程在通常情况下不允许访问内核数据，也无法使用内核函数，它们只能在用户空间操作用户数据，调用用户空间的函数。

• 在有些情况下，用户空间的进程需要获得一定的系统服务（调用内核空间程序），这时操作系统就必须利用系统提供给用户的“特殊接口”——系统调用规定用户进程进入内核空间的具体位置

• 进行系统调用时，程序运行空间需要从用户空间进入内核空间，处理完后再返回到用户空间。

• 系统调用按照按照功能逻辑可分为：

  • 进程控制
  • 进程间通信
  • 文件系统控制
  • 系统控制
  • 存储管理
  • 网络管理
  • socket控制
  • 用户管理

  系统调用并不是直接与程序员进行交互的，它仅仅是一个通过软中断机制向内核提交请求，以获取内核服务的接口。
  在实际使用中程序员调用的通常是用户编程接口——API
  系统命令相对API更高了一层，它实际上一个可执行程序，它的内部引用了用户编程接口（API）来实现相应的功能。
  

文件有关的系统调用

• creat
• open
• read
• write
• lseek
• close
• perror

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int fd = creat(char *filename, mode_t mode)
int  fd = open(char *name, int how)
ssize_t numread = read(int fd, void *buf, size_t qty)
ssize_t result = write(int fd, void *buf, size_t amt)
off_t oldpos = lseek(int fd, off_t dist, int base)
int resule = close(int fd)

文件操作函数–creat函数

• creat告诉内核创建一个名为filename的文件，如果这个文件不存在，就创建它，如果已存在，就把它的内容清空，把文件的长度设为0

• 如果内核成功地创建了文件，文件的许可权限将被设置为由mode指定的值。
  如：fd = creat(“test”,0644);
  名为test的文件权限被设为-rw-r--r--

文件操作函数–open函数

• O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR分别对应：只读、只写、可读可写
• 

文件操作函数–read函数

• 从文件描述符fd所指定的文件中读取qty个字节到buf所指向的缓冲区中，返回值为实际读取的字节数
  • 1.如read成功，则返回读到的字节数。如已到达文件的尾端，则返回0。
  • 2.有多种情况可使实际读到的字节数少于要求读字节数：
    • 读普通文件时，在读到要求字节数之前已到达了文件尾端。例如，若在到达文件尾端之前还有30个字节，而要求读100个字节，则read返回30，下一次再调用read时，它将返回0 (文件尾端)。
    • 当从终端设备读时，通常一次最多读一行
    • 当从网络读时，网络中的缓冲机构可能造成返回值小于所要求读的字节数。
    • 某些面向记录的设备，例如磁带，一次最多返回一个记录。

文件操作函数–write函数

• 把amt个字节从buf指向的缓冲区中写到文件描述符fd所指向的文件中，返回值为实际写入的字节数

文件操作函数–close函数

• 当不需要再对文件进行读写操作时，就要把文件关闭。
• close会关闭进程和文件fd之间的连接。

文件操作函数–lseek函数

• off_t oldpos = lseek(int fd, off_t dist, int base)
offset可取负值，表示向前移动。
  如：lseek(fd, -5, SEEK_CUR)
  下述调用可将文件指针相对当前位置向前移动5个字节

缓冲区的大小对性能的影响

实验：调用系统函数，实现文件的复制功能

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>


//用法：cp /etc/passwd /root/passwd

main(int argc, char *argv[])
{
	int read_fd, write_fd;
	unsigned char buf[128];
	int num_read;
	int write_result;

	//判断用户输入的字串是否为两个
	if(argc != 3)
	{
		printf("Usage Error\n");
		exit(1);
	}	
	
	write_fd = creat(argv[2], 0644);
	if(write_fd == -1)
	{
		printf('create file error!\n');
		exit(1);
	}
	printf("write_fd=%d\n",write_fd);

	read_fd = open(argv[1],O_RDONLY);	
	if(read_fd == -1)
	{
		printf('open file error!\n');
		exit(1);
	}
	printf("read_fd=%d\n",read_fd);
	int x=0;
	while(1)
	{
		num_read = read(read_fd, buf, 128);
		if(num_read==0)
		{
			printf("all successful finished!\n");
			break;
		}
		if(num_read==-1)
		{
			printf("read error!\n");
			break;
		}
		printf("num_read=%d\n",num_read);
		
		write_result = write(write_fd, buf, sizeof(buf));
		buf[0]='\0';
		printf("write_result=%d\n",write_result);
	}
	
	
	close(read_fd);
	close(write_fd);
}

• 具体思路如下：

  • 1.实现复制第一步，我们需要打开我们要复制的文件，并获取其中的内容：
    • (1)因此我们调用int fd=open(charname,int how)来打开文件
      (2)再根据fd，使用read函数读取文件内容：read(int fd,voidbuf,size_t num);
      (3)读取的内容我们读取在了buf字符数组中。
  • 2.实现复制第二步，获取数据后我们要写入要复制到的文件中，而复制到的目标文件我们需要先创建，然后再写入数据：
    • (1)创建文件：creat(char*filename,mode_t mode);
    • (2)写入文件：write(int fd,void*buf,size_t amt);
  • 3.由于我们不知道要复制的文件中有多少个字节，因此我们可以加一个循环，由read函数系统调用后若返回0，代表读取完毕，此时我们就可以退出循环了。

• 实验运行结果：
  我尝试将/etc/fstab文件copy到当前目录下来，并查看copy过来的文件，成功复制了过来，实验截图如下：
  

  为再次确认其复制功能，我将/etc/passwd复制到wyl的家目录下，并查看复制过来的文件看是否正确。实验截图如下：
  
  

• 我们发现内容成功复制！接下来我们对结果进行分析:

• 由上图我们发现最后复制的passwd文件发现了一个问题，对比两个文件发现行数不同，发现复制的文件比原来的文件多了以下数据：

nager:/var/lib/gdm3:/bin/false
wyl:x:1000:1000:Ubuntu18.04,,,:/home/wyl:/bin/bash
sshd:x:122:65534::/run/ssh

而fstab却不会出现此问题。

我总结推测这是因为当我们运行这个程序的时候，会创建一些系统用户来执行，会被记录在/etc/passwd中，而程序结束后，此记录又会消失，所以出现了行数不同，并多出了上方数据。

以上内容仅供参考，如有不对，欢迎指正！谢谢