1. 文件描述符

1.1 前言

环境：Linux 2.6

在 Linux 中，有句话叫做「一切皆文件」，指的是在 Linux 中的设备，资源等几乎一切资源都抽象成了文件，然后只需要提供对文件进行操作的接口，就可以让我们用统一的方式来读取，写入等各种操作，从而来管理 Linux 中的各种资源和数据。这种设计模式不仅简化了 Linux 架构，还简化了开发人员对资源的操作

1.2 理解文件

当进程打开一个文件的时候，操作系统会为其分配一个文件描述符（先了解，下文讲），当我们获取这个文件描述符之后，就可以对这个文件进行读写等各种操作了

并且这个文件被打开后，在操作系统内核中会为其创建一个结构体 struct file 来进行管理（这和 C 语言的 FILE 结构体不一样），它记录了文件的状态，读写位置等文件信息，它是在内核空间中的，而 C 语言的 struct FILE 是在用户空间中的

并且在 struct file 中存在一个指向缓冲区的指针，可以将数据暂存在缓冲区中，而文件通常会被划分成若干个页（4KB），在打开文件 / 读取文件的时候，操作系统会读取相应的块到该文件的缓冲区中

1.3 文件描述附表

• 在 Linux 中，进程被描述成 task_struct 进行管理（PCB），而task_struct 中有个指针 struct files_struct* files，该指针负责描述该进程的文件相关数据信息

struct task_struct {
	volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
	void *stack;
	...
	struct files_struct *files;   // 负责描述进程的文件信息数据
	...
}

• 而 struct files_struct* files 指向的结构体中有一个成员 struct file* fd_array，就是「文件描述符表」（新版本的内核版本可能称为 fdt）

• 这个文件描述符表，的下标（准确来说是索引）就称为「文件描述符」，而文件描述符表下标对应的对象fd_array[i]就是 struct file*，是指向内核中用来描述被打开文件的结构体
• 并且在修改相关配置的情况下，一个进程默认可以打开 32 或者 64 个文件，在修改的情况下，可以达到 10w 个，也就是文件描述符表的大小可以达到的大小

注意：

• 每个进程都会有文件描述符表，并且子进程的创建也会拷贝父进程的文件描述符表，打开相应的文件

综上所述，这里画个图：

⭐实际上，Linux 在操作文件时，大部分是通过文件描述符表中的下标来进行操作的，而这个下标就是文件描述符 fd，这个很重要，比如 wrtie ，read，send 等系统调用接口都是对 fd 进行操作的。

1.4 打开文件时

当进程打开一个文件的时候，在内核中，会创建这个文件对应的 struct file ，然后在文件描述符表中分配一个没有被使用下标 chosenIndex，然后让 fd_array[chosenIndex] 中填入这个 struct file 的地址，再将这个下标 chosenIndex 返回给用户

• 分配原则：文件描述符表会从头开始遍历，找到一个最小，没被使用的文件描述符并返回。
• 在 Linux 中，大部分对文件的操作，都是对文件描述符 fd 作操作

1.5 默认打开的三个文件

Linux 中所有的进程都会默认打开 3 个文件，分别是 stdin（标准输入），stdout（标准输出），stderr（标准错误），它们所占用的文件描述符分别是 0，1，2

一般情况下，标准输入就是键盘，标准输出和标准错误都是和显示器绑定，所以向标准输出和标准错误中输出，都会在显示屏上显示

标准输出一般是接收程序的正常打印结果，标准错误一般是接收程序的错误或者异常结果

这里可以试试，我直接往 1 号和 2 号文件描述符中写入数据：

可以看出，向 1 号和 2 号打印的数据都往显示屏上打印了，

所以我们在程序中，打开文件获取到的文件描述符通常是从 3 开始

2. 重定向

2.1 瞅瞅

先了解什么是重定向：是一种改变输入源或者输出目标的方式，允许就输入或输出从默认的位置转移到其他位置。还是晦涩的话，这么理解就好了：本来应该写到 xxx 中，现在写到了 yyy 中

举例子：echo 是向显示屏中打印数据：

这直接打印到了屏幕上对吧

我们现在使用 > ，它在 Linux 命令行中是输出重定向（类似的>> 是追加重定向）
现在我将上面那段输出 重定向 到文件中：

可以看出本来是打印到显示屏上的，现在写到了 hello.c 文件中，这也就是重定向了

2.2 dup2

首先我们先了解关于重定向的一个接口 dup2

这个接口要求传入两个文件描述符，这个函数的作用简单来说可以这么理解：

• ⭐fd_array[newfd] = fd_array[oldfd]，就是将文件描述符表中，oldfd 对应的内容拷贝给 newfd 对应的位置。也就是会有两个文件描述符指向同一个文件

比如下面这个代码，我打开了一个文件，然后执行 dup2(fd, 1)，那么文件描述符表发生了啥 o.0?

int main()
{
    int fd = open("hello.c", O_RDONLY);
    if (fd < 0)     return 0;

    dup2(fd, 1);
    return 0;
}

如下图，

1. 打开文件的时候，在内核为这个文件创建 struct file 数据结构，然后为其分配文件描述符，并放到 fd_array 中管理，再返回文件描述符
2. 将 fd_array[1] 中的指针指向这个文件的 struct file 中

⭐关键点就是将 fd_array[newfd] 的指针改成成指定的 struct file

然后看看下面代码演示一下：重定向之后，原本写在 1 号文件（也就是显示屏）中的数据现在写到了文件 hello.c 文件中。

其实到这里，重定向的实现原理就七七八八了，我们下面再梳理一下应该就晓得了

2.3 实现原理

• 当执行 dup2(fd, 1) 的时候，将文件描述符 fd 的内容拷贝给 1 号，这时候 fd 和 1 对应的指针都指向 hello.c
• 文章开头说过，Linux 中大部分对文件的操作都是对文件描述符的操作
• ⭐在这个例子中，write / read同样是对文件描述符作操作，通俗点，就是操作系统只会对 fd 下标操作，并不关心fd_array[fd]里面是谁
• 所以当执行 write(1, str, strlen(str)) 的时候，操作系统就直接往 1 号下标对应的文件进行写入了，它并不关心 1 号下标的文件是不是stdout （强调）
• 所以最终表现出来的情况就是「本该向显示屏中输出，现在输出到了 hello.c 文件中」

3. 一切皆文件

众所周知，电脑可以有很多外设，比如键盘，鼠标，声卡，音响，显示屏，网卡，磁盘…，而 Linux 怎么将这些看起来就离谱的硬件也抽象成文件的

这些外设，大都有自己的读操作和写操作，而 Linux 不应该专门为每个硬件设计相应的读写方法，甚至设计相应的数据结构，这样不便于维护和管理，而且很麻烦，如果统一起来就好了

• 实际上在操作系统和硬件之间，还有一层软件层 —— 驱动，每个硬件通常都有配置一个特定的驱动，驱动可以和硬件交互控制，也可以将操作系统的指令翻译成硬件可以理解的指令 / 命令
• 所以驱动可以理解成操作系统和硬件交互的桥梁
  它可以为操作系统提供统一的接口（比如读写接口，下文也以读写接口举例子），借此操作系统可以实现对硬件的间接控制，以及完成两者之间的交互
  

还记得 struct file 结构体吗，前面说了这是一个操作系统内核中描述 / 管理文件的结构体，那么要怎么利用这个结构体来将底层硬件结合 / 统一起来？

可以在 struct file 中提供若干个函数指针，比如 ssize_t (*read)()，ssize_t (*write)()，然后这些函数指针直接指向驱动层提供的读写接口，指针不必关心自己到底指向了哪个函数，对于 Linux 来说，它只知道只要调用 struct file 中的 write 函数，就一定会执行对应驱动提供的写操作接口，从而以管理文件的方式，实现从底层硬件的控制