【Linux系统编程】基础IO第二讲——文件描述符

文章目录

[1. open的返回值](#1. open的返回值)
[2. 文件描述符](#2. 文件描述符)
- [2.1 看看现象](#2.1 看看现象)
- [2.2 谈谈原理+看源码（什么是文件描述符）](#2.2 谈谈原理+看源码（什么是文件描述符）)
- [2.3 补充了解（缓冲区）](#2.3 补充了解（缓冲区）)
- [2.4 文件描述符的分配规则](#2.4 文件描述符的分配规则)
[3. 代码](#3. 代码)

上一篇文章中，我们还遗留了一些问题，后面的文章会一一解决。

这篇文章，先来解决：文件描述符。

1. open的返回值

上一篇文章我们已经学过open系统调用的用法了，但是open的返回值我们并没有详细介绍

open的返回值：
成功：返回最小的未使用的文件描述符（非负整数） 。
失败：返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

那这篇文章我们就要来解开这个疑惑了

到底什么是文件描述符呢？
又为什么是一个非负整数呢？

2. 文件描述符

2.1 看看现象

再来看我们上篇文章的那段代码：

open的返回值不就是给打开的文件分配的文件描述符吗？（后续的操作如write、close都要使用这个文件描述符）
那我们把这个返回值打印出来看看他是几？

运行

我们看到是3 ，确实是一个非负整数，但是为什么是3呢？

我们可以再多打开几个文件看看：

我们来重新写一个代码

依次打开4个文件，并打印它们的文件描述符
看看结果

是3，4，5，6
目前来看，我们打开的文件，文件描述符好像是从3开始，依次递增的整数。

那为什么是这样呢？这些数字又到底是什么呢？

2.2 谈谈原理+看源码（什么是文件描述符）

一个进程可以打开多个文件，那在操作系统内，就可能同时存在多个进程，它们一共打开了很多的文件。并且文件和进程之间还有一定的从属关系。

那这么多的进程，要不要被操作系统管理起来呢？

当然！
如何管理？
先描述，再组织！
在 Linux 内核中，使用struct file结构体来描述一个被进程打开的文件。

每个 open 系统调用成功时，内核都会创建一个 struct file 实例，并返回一个文件描述符（fd）与之关联。
struct file内部，会直接或间接地包含与被打开文件相关的属性和数据等信息。
多个struct file之间，用一个双向循环链表组织起来。
那么这样，对文件的管理，就转换成了对链表的增删查改。

那这么多的文件，如果表示它们与进程之间的从属关系呢？（哪些文件属于哪个进程打开的）

在进程的task_struct中，有一个结构体指针------struct files_struct* files
该指针指向一个struct files_struct结构体，该结构体中有一个成员struct file * fd_array[];，是一个struct file *的结构体指针数组，那里面的元素不就指向一个个的struct file 结构体嘛（就对应了该进程打开的所有文件)
那既然是数组的元素，就有下标啊。
每个文件的struct file*指针的下标就是该文件的文件描述符。
进程每打开（open）一个文件，就会把对应的struct file结构体的指针存入fd_array数组中（找一个最小的且没被占用的下标位置），这也解释了为什么文件描述符是非负整数 。
然后返回其对应的下标（即open的返回值），也是该文件的文件描述符。
所以操作系统内部，是使用文件描述符来唯一标识一个被特定进程打开的文件的，这也是为什么我们后面使用write、close这些系统调用必须要传文件描述符（这里也能推断出C语言中的FILE中必定封装了文件描述符fd）。

那为什么我们打开的文件，文件描述符是从3开始呢？也就明白了！

因为进程启动时候，默认打开了三个文件（标准输入、标准输出、标准错误），占用了0，1，2下标，所以我们再打开新的文件，下标就从3开始。

当然我们也可以打印出来标准输入、标准输出、标准错误对应的文件描述符来看看：

上面我们提到C语言中的FILE中必定封装了文件描述符fd
我们可以来看下FILE的定义

而：

它们的类型是FILE*，那我们通过->不就直接可以访问其中的文件描述符成员嘛！

所以，我们运行程序，前三个就应该是0，1，2

没有问题！
在C++中，cin、cout、cerr分别对应标准输入流对象、标准输出流对象、标准错误流对象，它们的类定义中，必定也有一个成员变量是文件描述符。

2.3 补充了解（缓冲区）

之前的文章中我们简单提过用户级缓冲区：

用户级缓冲区是在 FILE 结构体内部维护的。

那其实除了用户缓冲区还有内核缓冲区
同样这篇文章中我们提到：
我们使用printf打印一个字符串，并不是直接输出到显示器上的，而是先会暂存到缓冲区，等待合适的时机刷新到显示器"文件中"（inux下一切皆文件）。
现在应该再完善一点：
我们使用fwrite写入一个字符串到某个文件（以fwrite为例），并不是直接写入到文件的，而是先会暂存到用户缓冲区，即先从用户空间（比如一个字符数组存的字符串/一个常量字符串存在常量区，都在用户空间）到用户缓冲区，fwrite 最终会调用 write 系统调用，write系统调用会把数据从用户缓冲区拷贝到内核缓冲区，然后等待合适的时机，再刷新到文件中（比如内核缓冲区满了），这样可以减少磁盘IO次数，提高效率。
那如果使用的本身就是write这些系统调用，那就是先从用户空间拷贝到内核缓冲区，后面一样。
所以write这些接口，并不是直接把数据写入文件，其本质是一个拷贝函数，最终数据刷新到文件是合适的时机下由OS完成的。
两层缓存：C 库缓冲减少系统调用，内核页缓冲减少磁盘 I/O。当然这两层缓存都要放在内存中，内存是 CPU 可以直接访问的，这符合冯·诺依曼体系结构。

那同样地，读文或修改文件内容也都需要经过对应的缓冲区。
（先了解一下，后面我们还会谈缓冲区）

2.4 文件描述符的分配规则

其实上面已经讲完这个规则了：

新分配的文件描述符，永远是fd_array数组（也叫文件描述符表）中，最小的且没被占用的下标

我们也可以再来多做一些验证：

我们正常打开一个文件，文件描述符就从3开始分配，因为0，1，2被占用了。
那我们调用close可以关闭我们自己打开文件的描述符，当然也可以关闭0，1，2

那我现在把文件描述符0关闭，然后打开一个文件，分配的规则不是分配最小的且没被占用的下标嘛。
那现在我打开的这个文件就应该分配到0，因为现在0没被占用，并且最小

把2关掉

那就是2了。

那把1关掉呢？

那这次运行就应该打印1

但是！
这么什么都没打印呢？
🆗，1对应的是什么啊？
是标准输出（显示器）！
而printf为什么默认往显示器打印啊？
其实是因为printf底层固定是往文件描述符1对应的文件中打印的。
但是我们现在把1关闭了，然后新打开一个文件，所以

所以文件描述符1就不再指向标准输出，而是指向我们打开的log1.txt文件。
所以我们打印的信息就不会写入到显示器了，而是写到我们自己新打开的文件了。（我们把这个叫做重定向，后面会详细讲解重定向 ）
我们来看一下

怎么回事，没有啊

但是，为什么这个文件里也没有呢？

修改代码

最后的close注释掉
然后重新运行

这次文件里面就被写入了1。
怎么回事？为什么close注释掉就有了
或者可以这样

把close放开，但是close之前调用一下fflush

也可以（现在是一个追加写的模式）
那出现这种现象的原因是什么呢？
这个问题先留着，我们后面会解决

这篇文章先到这里，下一篇------重定向

3. 代码

c 复制代码

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

int main()
{
    close(1);

    int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); 

    printf("%d\n", fd1);

    // 关闭文件
    fflush(stdout);
    close(fd1);

    return 0;
}

// int main()
// {
//     printf("stdin->%d\n", stdin->_fileno);
//     printf("stdout->%d\n", stdout->_fileno);
//     printf("stderr->%d\n", stderr->_fileno);

//     int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 追加写
//     int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 追加写
//     int fd3 = open("log3.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 追加写
//     int fd4 = open("log4.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 追加写

//     printf("%d\n", fd1);
//     printf("%d\n", fd2);
//     printf("%d\n", fd3);
//     printf("%d\n", fd4);

//     // 关闭文件
//     close(fd1);
//     close(fd2);
//     close(fd3);
//     close(fd4);

//     return 0;
// }