【Linux篇】基础IO - 文件描述符的引入

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文章目录

• • [一. 理解文件](#一. 理解文件)
  • • [1.1 侠义理解](#1.1 侠义理解)
    • [1.2 广义理解](#1.2 广义理解)
    • [1.3 文件操作的归类认知](#1.3 文件操作的归类认知)
    • [1.4 系统角度](#1.4 系统角度)
  • [二. 回顾C语言文件接口](#二. 回顾C语言文件接口)
  • • [2.1 打开文件](#2.1 打开文件)
    • [2.2 对文件进行写入](#2.2 对文件进行写入)
    • [2.3 输出信息到显示器，有哪些方法](#2.3 输出信息到显示器，有哪些方法)
    • [2.4 stdin & stdout & stderr](#2.4 stdin & stdout & stderr)
    • [2.5 打开文件的方式](#2.5 打开文件的方式)
  • [三. 系统文件I/O](#三. 系统文件I/O)
  • • [3.1 位图传递标志位](#3.1 位图传递标志位)
    • [3.2 open](#3.2 open)
    • [3.3 write](#3.3 write)
    • [3.4 read](#3.4 read)
  • [四. 访问文件的本质](#四. 访问文件的本质)
  • • [4.1 文件描述符](#4.1 文件描述符)

一. 理解文件

我们以前就说过 文件 = 文件内容 + 文件属性

1.1 侠义理解

• 文件是在磁盘上的，磁盘本质上是个外设，我们访问文件其实就是在系统和磁盘上进行IO
• 磁盘是永久性的存储介质，文件在磁盘上的存储是永久性的
• 对文件的所有操作，本质上是对外设的输入输出 简称 IO

1.2 广义理解

• Linux下一切皆文件（键盘，显示器，网卡，磁盘... ）

1.3 文件操作的归类认知

• 对于0KB的空文件，是占据磁盘的空间的
• 文件 = 文件内容 + 文件属性
• 所有对文件的操作本质上是对文件内容和文件属性的操作

1.4 系统角度

• 对文件的操作本质上是进程对文件的操作
• 磁盘的管理者是操作系统
• 文件的读或写本质上不是通过 C语言/C++的库函数来操作的（这些库函数只是为用户提供方便），而是通过文件相关的系统调用接口实现的

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文件

1. "内存级(被打开)"文件
2. 磁盘级文件

二. 回顾C语言文件接口

2.1 打开文件

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

• path:表示要打开文件的路径，或者文件名，只有文件名而没有路径表示打开当前路径下的文件。
• mode:表示打开的方式，比如只读r,只写w,追加a等。

📌 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 对文件进行写入

#include<stdio.h>

int main()
{
	FILE* fp = fopen("myfile.txt","w");
	if (fp == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	while (1);
	fclose(fp);

	return 0;
}

打开的myfile文件在哪个路径下呢？

• 在程序的当前路径下
• 那系统怎么知道程序的当前路径在哪里呢？
  可以使用ls /proc/[进程id] -l命令查看当前正在运行进程的信息：

• cwd：进程当前的工作路径
• exe：指向启动当前进程的可执行文件（完整路径）的符号链接。

2.3 输出信息到显示器，有哪些方法

• printf()
• fprintf()
• fwrite()
  
  
  当我们向显示器打印本质上就是向显示器文件写入，Linux下一切皆文件

2.4 stdin & stdout & stderr

• c语言会默认打开三个输入输出流，分别是stdin,stdout,stderr
• 这三个流的类型都是FILE*
  
  
  为什么要帮我们把这几个流自动打开呢？
  我们传统上写的程序是做数据处理的

2.5 打开文件的方式

1. 以w的方式打开文件时，文件首先会被清空，然后从0开始写
   
2. 我们以前说过的重定向,比如echo aaaaa > log.txt,把打印到显示器上的内容写入文件里，前提是我们先得把文件打开。我们的输出重定向>log.txt为什么会把文件内容清空呢？因为我们输出重定向第一步要打开文件，而打开文件，而打开文件第一步先要把文件清空
   
3. 以a的方式打开文件，这种方式叫做追加 ，它一般写的时候会向文件结尾进行写入，不存在的话就创建它。>>叫做追加重定向，以a的方式进行写入本质上也是先要把文件打开，然后再进行写入。
   
   
4. 当我们向文件里写入一段字符串时，我们需不需要在字符串后面加\0呢？答案是不需要，因为\0是c语言的规定，与我文件又有什么关系呢。

三. 系统文件I/O

我们对文件操作的是时候，文件是在磁盘上面的，而真正对文件进行操作的其实是操作系统，操作系统对磁盘文件进行读写访问，我们以前使用c语言对文件的访问其实是c语言封装了系统调用。比如说访问文件得先打开，那么就得先有open

flags有众多选项O_RDONLY表示只读, O_WRONLY表示只写, O_RDWR表示读写，O_TRUNC表示

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

如果我们今天要打开一个文件，并且这个文件不存在要新建的话，就用上面的这个open,必须指定权限，如果不指定的话这个权限就是乱码。如果打开一个已经存在的文件，就用两个参数的。

open的返回值：如果打开成功的话返回一个新的文件描述符，如果失败的话-1被返回，并且错误码就被设置了。

flags是一种整形标志位，一共有32个bit位，,如果用O_RDONLY这种选项直接传参的话会很麻烦，所以选用位图的方式来传递。

3.1 位图传递标志位

#include<stdio.h>

#define ONE_FLAG    (1<<0)// 000000....00000001
#define TWO_FLAG    (1<<1)// 000000....00000010
#define THREE_FLAG  (1<<2)// 000000....00000100
#define FOUR_FLAG   (1<<3)// 000000....00001000

void Print(int flags)
{
    if(flags & ONE_FLAG)
    {
        printf("One!\n");
    }
    if(flags & TWO_FLAG)
    {
        printf("Two!\n");
    }
    if(flags & THREE_FLAG)
    {
        printf("Three!\n");
    }
    if(flags & FOUR_FLAG)
    {
        printf("Four!\n");
    }



 }

int main()
{
    Print(ONE_FLAG); //打印one
    printf("\n");
    Print(ONE_FLAG | TWO_FLAG); //打印one two
    printf("\n");
    Print(ONE_FLAG | TWO_FLAG | THREE_FLAG);//打印one two three
    printf("\n");
    Print(ONE_FLAG | TWO_FLAG | THREE_FLAG | FOUR_FLAG);//打印one two three four
    printf("\n");

    return 0;
}

3.2 open

我们open打开文件的时候绝对相对路径都可以，因为在哪个路径下创建文件是由进程决定的，进程记录了自己的cwd，说明我们新建文件是在指定路径下建还是在其他路径下建和cd,fopen都没有关系，它是系统的行为。

我们接下来验证一下log.txt它默认会在当前路径下去创建，因为它进程的路径就在当前路径下。

我们对文件进行写入write接口

#include <unistd.h>

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

• 第一个参数: 是open的返回值，这个返回值叫文件描述符
• 第二个参数: 是我们要写入的buffer
• 第三个参数: 是我们要写的数据的长度，返回值是实际写入的长度。写入失败返回-1。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>

int main()
{
    umask(0);//在新建文件之前将umask权限眼掩码设置为0
    int fd = open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY,0666);//不存在就创建，而且以写入的方式打开
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;//进程的退出码设为1
    }

    printf("fd = %d/n",fd);
    const char *msg = "hello world\n";//定义一个字符串
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        write(fd,msg,strlen(msg));//向指定文件描述符里写,写的内容是msg,写的长度
        //我们在写入时是当做字符来写，所以这里不需要strlen(msg)+1,因为\0是c语言规定的，如果写\0的话在我们的文件中就会出现@^乱码现象
        cnt--;
    }
    

    close(fd);//关闭文件
    return 0;
}

当我们把要写的内容该为abcd并且只让它写一行。

现象是在我们往文件里写的时候应当是先清空再进行写入 ，而现在是覆盖写 ，文件内原来的内容并没有清空，为什么没有清空呢？答案是我们再创建文件的时候，只填了创建 和写入 ，而并没有要清空 。

所以我们加上O_TRUNC

💦结论：如果我们要打开文件，并且将它清空，若要用系统级的函数，我们就需要传递这几个标志位。

清空并写入：

int fd = open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666);

如果O_CREAT(不存在就新建)，O_WRONLY(以只写入的方式)，O_TRUNC(清空)
追加并写入：

int fd = open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND,0666);

所以C语言中的fopen中的w选项和a选项就会被分别转化为上面的那样。

3.3 write

write这个接口在写的时候参数不是char*,而是void*

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

说明write在进行写入的时候，进行二进制写入也可以，做字符串写入也可以。

文本写入 vs 二进制写入

我们在往显示器上打印12345的时候是往显示器打印的是1字符2字符3字符4字符和5字符。而不是一万两千三百四十五。

📌小tips: 我们往显示器上打印和我们往文件里写入其实是一摸一样的，因为Linux下一切皆文件。

我们往文件里以清空写的方式写入1234567

查看log.txt

我们会发现log.txt是4个字节里面的内容是乱码，这是为什么呢？因为这种写入叫做二进制写入，在实际写的时候把a这个整形变量写到了文件里面，所以文件的大小是4字节，因为整数的大小是4字节，而我们写入的1234567不可显，它是把1234567这个二进制数字写在了磁盘上。而我们想看到的是1234567，那可怎么办呢？

将a这个整形格式化处理成字符串，然后将字符串写入到要写的文件中。

此时的log.txt中就是1234567了。

💦结论 : 在系统层面上并不存在所谓的文本写入和二进制写入，系统并不关心你写入的类型，文本写入还是二进制写入其实是语言层 提供的概念。所以我们在c语言中有fpus文本写入fwrie二进制写入，这两个底层最终调用的都是这个接口。

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

格式化输入输出其实就是将内存里的二进制数据转成字符串，在使用write接口将数据写进去。所以格式化输入输出，文本式的写入全都是语言层的概念。这个格式化工作要么是语言来做，要么是我们自己来做。

3.4 read

 #include <unistd.h>

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

• 返回值 ：如果成功，则返回读的字节数（0表示文件结束），如果错误返回-1
• 第一个参数 ：是open的返回值，这个返回值叫文件描述符
• 第二个参数: 指向一段空间，该空间用来存储读取到的内容。

我们读取log.txt中的内容

四. 访问文件的本质

我们一次性打开四个文件，并观察它的fd

打出来的文件描述符是3,4,5,6问题是0,1,2去哪里了呢？

• 0:标准输入
• 1:标准输出
• 2:标准错误

这三个叫做默认的文件流，因为它默认的把三个文件打开了，012已经被占了。
C语言中有三个标准输入，标准输出，标准错误的文件流

C++中也有标准输入（cin），标准输出cout，标准错误cerr的文件流

C语言中我们打开文件叫做FILE*,*是指针，可是FILE是什么呢？FILE是C语言提供的一个结构体，它是被typedef出来的，结构体里包含了文件的属性。

在OS接口层面上只认fd文件描述符，所以这个结构体里一定封装了文件描述符 。

所以我们以前学到的文件操作，在类型层面的文件对象FILE封装了文件描述符,在接口层面打开文件是封装了对应的选项。

所以任何语言，底层只认文件描述符，C语言/C++会把市面上的各种平台的代码各自实现一份，然后采用条件编译，代码裁剪的方式，把不同的系统需要的库编到不同的系统里，给用户提供的是同一个语言型 接口，这样写出来的代码具有可移植性 。

要了解可移植性就需要知道不可移植性，不可移植性是由于平台不一样，平台不一样系统调用的接口不一样。

4.1 文件描述符

操作系统要把被打开的文件管理起来，怎么管理呢？先描述，再组织

创建一个进程的时候，首先在内核当中创建的了一个task_struct，我们称之为进程控制块。操作系统在打开文件时需要在内核当中创建一个数据结构struct file，打开很多文件就会创建很多的struct file,然后用指针连接起来。那么找一个文件的所有内容或者任何一个属性就都能通过struct file找到。也就是说未来想访问文件就只需要找到对应的struct file结构体队对象就可以了。

在文件中，每一个文件的struct file都会提供一个文件级缓冲区，将来文件的内容就会加载到文件缓冲区当中，文件的属性会用来初始化我们的struct file以及将来的inode结构体。今天我们如果是想读取文件里面的内容，一定先是我们把文件打开，创建struct file结构体，通过file内部的指针操作找到文件缓冲区，然后操作系统把文件的内容给我们加载或者预加载到缓冲区里面，加载之后我们读写文件的本质就是从缓冲区里面把内容拷贝出去。

可是在进程中怎么快速找到我们自己打开的文件呢？被连起来的文件有可能属于进程a,也有可能属于进程b，哪个文件是和你的进程相关的呢？在我们的进程的PCB当中，当一个进程被创建，除了地址空间页表，它还要创建一个struct files_struct文件描述符表 ，文件描述符表中包含一个数组，这个数组是可大可小的，一般的Linux系统是32或者64,在云服务器上它可以支持内核扩展，这个struct files_struct中还包含了其他属性，包括打开文件的个数，其他的一些属性信息。这个数组叫做struct file *fd array[],这是一个指针数组，在PCB中会存在一个struct files_struct *files指向文件描述符表。这个数组中放的就是这个进程打开的文件，把操作系统打开的struct file对象填充到我们数组对应的指定下标当中。此时那些进程有哪些文件就被关联起来了，建立被打开的文件和进程之间的映射关系 。所以进程要访问任意一个被打开的文件就可以通过下标来访问了。
所以文件描述符的本质就是数组下标

当我们的用户层在进行open调用的时候，就会在操作系统里创建一个新的struct file，然后在当前进程的文件描述符表里面找到一个没有被使用的下标，然后把struct file的地址填进去，此时进程和文件就关联了。下来读取数据（read）时要传fd，当前进程调用read，进程拿着fd去文件描述符中的数组中找，就能找到对应的文件，每一个文件都有对应的文件缓冲区，操作系统把磁盘中的内容预加载到缓冲区当中，然后把文件缓冲区当中的数据拷贝到用户层的buffer中。

文件描述符的分配原则：最小的没有被使用的作为新的fd分配给用户。

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