【Linux课程学习】：文件第一弹---文件基础（文件描述符的底层设计）

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Linux学习笔记：

https://blog.csdn.net/djdjiejsn/category_12669243.html

前言：

这篇主要谈论的是关于文件的基础，让我们在接下来能更好的理解文件描述符，系统调用的相关的文件函数，和语言层封装的f系列的函数。对于这篇文章，会从C语言文件接口，C语言默认打开的三个输入输出流，认识系统文件调用接口，这几个方面介绍文件，打好基础。

5.2stdin，stdout，stderror的文件描述符：

本节重点知识点：

1.fopen和fclose属于运行时操作。

2.深刻理解先描述，再组织。管理对象时，就要先进行描述。

3.理解一切皆文件，硬件设备对于进程来说也是文件。

4.文件描述符的底层设计--->进程与文件是怎么进行关联的。

一.预备知识

|-----------|--------|
| 文件的分类 | 位置 |
| 被打开的文件 | 内存 |
| 没有被打开的文件 | 磁盘 |

在文件中，没有被打开的文件比被打开的文件多的多。下面我们研究的被打开的文件。研究被打开的文件，是在研究文件与进程的关系，但是进程会描述文件，所以我们研究的是文件与file_struct的关系。

1.1文件=内容+属性：

对于我们创建的空文件，也是有大小的。虽然文件没有内容，但是文件有属性，在文件中要保存这些属性，就会有大小。

1.2在访问文件之前，必须先打开它：

在C语言中，我们很明显的感受到，在进行文件操作之前，必须打开文件（fopen）。然后进行一系列的操作，最后关闭文件（fclose）。

FILE* fd=fopen("log.txt","w");
fclose(fd);

1.2.1但是为什么要打开文件呢？

因为文件一开始在磁盘中保存着，要打开文件，也就是把文件加载到内存中，才能对文件进行操作。fopen是运行时操作，当被运行到fopen这一行代码，才被进程所打开。

所以文件被打开时，是进程在进行访问。

但是进程在内存中，CPU要想访问文件，因为冯诺依曼体系，CPU不能直接去磁盘进行访问，所以只能把文件加载到内存，才能被CPU访问。

1.3管理文件---先描述，在组织

凡是要进行管理的，就先要对管理的对象进行描述（struct），描述文件的属性。然后才能对文件进行管理。文件描述的一些属性，可以由文件的属性获得，还有其他很多属性要OS进行描述。

二.C语言文件操作函数

从C语言的角度看文件，和文件接口。有一个预备的知识。也为后面语言层面的封装与系统接口进行区分和比较。

2.1文件打开的方式：

|--------|----|---------------------------|
| 文件打开方式 | 功能 | 效果 |
| w | 写 | 文件不存在，新建文件。文件存在，清空文件。 |
| w+ | 读写 | 文件不存在，新建文件。文件存在，清空文件。 |
| r | 读 | 读取存在的文件，文件不存在，报错。 |
| r+ | 读写 | 读写存在的文件，文件不存在，报错。 |
| a | 追加 | 在文件末尾追加，文件不存在，新建文件。 |
| a+ | 读写 | 在文件末尾读写，文件不存在，新建文件。 |

另外还可以增加b，比如wb，ab，rb。有b的，就是对二进制文件进行操作。其他的效果和上面类似，也是读（read），写（write），追加（append）。如果我们使用w方式，如果文件存在，会对文件进行清空（truncate）。

当我们输入重定向的时候，要以w方式打开文件，如果没有输入什么东西，文件就被我们清空了。

 > log.txt

2.2输出信息到显示器的方法：

int printf(const char *format, ...);

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

fprintf的用法和printf差不多，只需要在前面指明文件对象，就能向指定的文件进行打印。

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, ize_t nmemb, FILE *stream);

#include <stdio.h>    
#include <string.h>    
    
int main()    
{    
    FILE* fd=fopen("log.txt","w");    
    if(fd==NULL)    
    {    
        printf("open error!\n");    
    }    
    fprintf(stdout,"hello fprintf!\n");    
    
    const char* message="hello fwrite!\n";    
    fwrite(message,strlen(message),1,stdout);       
    fclose(fd);    
}

三.进程默认打开的三个标准流

在下面我们会讲解如何理解键盘，显示器这些硬件也是文件。即一切皆文件。

|----------|------|-----|
| stdin | 标准输入 | 键盘 |
| stdout | 标准输出 | 显示器 |
| stderror | 标准错误 | 显示器 |

四.系统调用接口---系统文件I/O

我们使用的C语言文件操作函数，底层是封装了系统类的文件调用。比如C语言的w方式打开，可能是在封装open，并且使用O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC。mode设置为0666。

4.1open系统调用

4.1.1函数原型：

头文件：

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

函数原型：

int open(const char *pathname, int flags);

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

4.1.2函数理解：

pathname：

和C语言的的fopen一样，也是文件的名称，是要打开或者创建的文件，名称。

flags：

是标记位，是int类型，表示要以什么方式进行打开，其本质是位图的思想。某个比特位上有1就表示一个功能。后面我们要使用多个功能时，是需要把代表不同功能的整数，进行按位或就可以达到目的。

flags分类有：

|----------|--------|
| O_RDONLY | 只读方式打开 |
| O_WRONLY | 只写方式打开 |
| O_WDWR | 读写方式打开 |

上面的这三个参数，必须要有一个，并且只能有一个，要不就是只读，要不就是只写，要不就是读写。

|----------|--------------------------|
| O_CREAT | 如果文件不存在，创建文件。需要使用mode函数。 |
| O_APPEND | 以追加的方式进行写。 |
| O_TRUNC | 对文件进行清空。 |

返回值：

如果打开成功，就返回新打开的文件描述符。

如果失败就返回-1。

mode选项的函数，表示新创建文件的起始权限。文件的起始权限一般是0666，目录的起始权限一般是0777。所以我们在有O_CREAT时，应该加上对应的权限。但是最终的权限会&（~umask）。也可以设置文件的umask，最终可以让权限是0666。系统有umask，进程也有umask，最终使用的umaks是就近原则。

int ft=open("log.txt",O_WRONLY|O_TRUNC);

五.文件描述符fd

5.1见一见其他文件的文件描述符fd：

文件描述符是整数。让我们看看打开其他文件时的文件描述符是多少？

#include <stdio.h>    
#include <string.h>    
#include <sys/types.h>    
#include <sys/stat.h>    
#include <fcntl.h>    
#include <unistd.h>        
    
int main()    
{    
    
    int fd1=open("log1.txt",O_WRONLY|O_TRUNC|O_CREAT);                                                                                                                                                             
    int fd2=open("log2.txt",O_WRONLY|O_TRUNC|O_CREAT);    
    printf("fd1:%d\n",fd1);    
    printf("fd2:%d\n",fd2);    

    close(fd1);    
    close(fd2);    
    return 0;
}

我们发现文件描述符fd不是从0开始的，而是从3开始的，为什么呢？

5.2stdin，stdout，stderror的文件描述符：

|----------|-------|-----|
| 名称 | 文件描述符 | 硬件 |
| stdin | 0 | 键盘 |
| stdout | 1 | 显示器 |
| stderror | 2 | 显示器 |

在打开我们的文件时，进程已经帮我们打开这个三个文件。这三个文件的文件描述符是0,1,2。所以我们打开其他文件的时候，就只能从3开始了。在后面的文件描述符的分配规则是占据最小空的元素。

5.3文件描述符的底层设计：

我们观察文件描述符是从0开始的，这很像数组。就可能存在一个表结构，让进程与文件管理起来。

5.3.1文件管理：

被打开的文件，会加载到内存中，加载之前就会对文件进行先描述，然后再进行组织。最后在内存中就会有很多的file_struct，他们之间的联系用某种数据结构进行关联起来。最后形成了一张file list的表。

5.3.2进程中的文件描述指针的数组：

在进程中，会存在一个文件描述指针数组的指针。这个指针指向是一个文件描述指针数组。这个数组从0开始。这个数组的第一个元素，也就是0号下标，指向的是stdin文件。

第二个元素，指向的是stdout文件。第三个元素就是指向就是stderror。

其他被打开的文件被串在file list中。如果被该进程打开，就会把这个文件的描述信息的指针放在文件描述符表中。

关闭文件本质就是在文件描述符表中删除某个文件的指针。

打开一个文件本质就是把文件指针放在文件描述符表中。

这样就可以让进程与文件关联起来。

5.3.3每个进程都会有文件描述符表：

每个进程中的文件描述符表中的元素都是指向文件的。应该文件可以被多个进程指向。