[Linux系统] 基础IO核心 | 系统接口 | 文件描述符 | 重定向

先说结论：

1. 文件读写真正靠的是系统调用，fopen/fread/fwrite 只是 libc 的封装
2. 文件描述符就是 files_struct 里指针数组的下标，分配规则是最小未使用下标
3. 而重定向的本质只是把下标 fd 指向的文件对象换掉，一行 dup2 就能完成

一、理解"文件"：一切皆文件

文件在磁盘里，磁盘是永久性存储的外设，所以对文件的操作本质就是对外设的输入输出，简称 IO。广义看，Linux 下一切皆文件------键盘、显示器、网卡、管道、socket 都被抽象成文件，好处是只用一套 API：几乎所有"读"用 read，几乎所有"改"用 write。

另一个结论：文件 = 属性+ 内容，文件操作只有改内容、改属性两类；对文件的操作本质是进程对文件的操作，真正的读写靠系统调用而不是 C 库函数。文件名不带路径时进程怎么知道写去哪？看 /proc/[pid]：

ls /proc/533463 -l
# cwd -> /home/hyb/io           当前工作目录
# exe -> /home/hyb/io/myProc    可执行文件全路径

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二、系统 I/O 接口：open / read / write / close

2.1 标志位怎么传

系统接口常用一个 int 同时传多个开关，每一位代表一个含义，函数里用 flags & ONE 判断：

#define ONE   0001 //二进制0001
#define TWO   0002 //二进制0010
// func(ONE | TWO) -> (flags & ONE) && (flags & TWO) both true

特点：每个宏只有一位有效且所在位置不同

2.2 open 的参数

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
// flags：O_RDONLY / O_WRONLY / O_RDWR 三选一
//        O_CREAT（不存在则创建，需配合 mode）、O_APPEND（追加）、O_TRUNC
// 成功返回新的文件描述符，失败返回 -1

只有需要创建文件时才传 mode，它表示新文件的默认权限，实际权限还要被 umask 修正，所以实验代码常先写 umask(0)。

2.3 读写与返回值

umask(0);
int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
write(fd, msg, len);   // 返回实际写入的字节数
read(fd, buf, len);    // 返回实际读到的字节数，0 表示读完
close(fd);

read/write/lseek/close 与 C 的 fread/fwrite/fseek/fclose 一一对应，前者是系统调用，后者是库函数。

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三、文件描述符：本质是数组下标

3.1 默认的 0、1、2

进程默认打开三个描述符：0 标准输入、1 标准输出、2 标准错误，对应键盘、显示器、显示器。于是可以直接对着数字读写：

read(0, buf, sizeof(buf));   // 从键盘读
write(1, buf, strlen(buf));  // 写到显示器
write(2, buf, strlen(buf));  // 写到标准错误

3.2 分配规则：最小未使用下标

打开文件时系统要在内存里建一个 file 结构体来描述它，进程则通过 files_struct 里的指针数组关联，数组下标就是文件描述符。实验最能说明问题：

int fd = open("myfile", O_RDONLY);
printf("fd: %d\n", fd);   // 输出 3
close(0);                 // 先关掉 0
fd = open("myfile", O_RDONLY);
printf("fd: %d\n", fd);   // 输出 0

结论一句话：找数组里当前没被使用的最小下标，作为新 fd。这也解释了 0、1、2 一旦空出来，为何会被后来打开的文件抢占。

3.3 内核链路

struct task_struct { ... struct files_struct *files; ... };
struct file {
    struct inode *f_inode;
    const struct file_operations *f_op;  // 函数指针表
    atomic_long_t f_count;               // 引用计数
    loff_t f_pos;                        // 当前读写位置
};

链路是 task_struct → files_struct → 指针数组 → struct file → file_operations，其中 file_operations 的成员几乎全是函数指针（read、write、open......），把系统调用与设备驱动关联起来。这就是"一切皆文件"的内核依据：设备各自实现 read、write，但通过 f_op 回调，开发者拿着一个 fd 就能操作几乎所有资源。

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四、重定向：换个指向

4.1 现象：关了 1 会怎样

close(1);
int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 00644);
printf("fd: %d\n", fd);
fflush(stdout); 

本该出现在屏幕上的内容跑到了 myfile 里，且 fd 正好是 1。这就是输出重定向，日常对应 >、>>、<。

4.2 dup2 完成替换

int dup2(int oldfd, int newfd);   // 让 newfd 指向 oldfd 的文件对象

先 open 拿到新文件，再 dup2(fd, 1)。此时 printf 往 stdout 写，stdout 底层找的还是 fd 1，只是下标 1 已从显示器换成 myfile，输出便落到文件里。

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五、总结

• 文件：一切皆文件，操作只有改内容和改属性两类，底层靠系统调用；
• 系统接口：open 读写标志三选一，加 O_CREAT/O_APPEND，read/write 返回实际字节数；
• 文件描述符：files_struct 数组下标，0/1/2 是标准流，分配规则为"最小未使用下标"；
• 重定向：dup2(fd, 1) 换指向，必须在子进程里做，exec 后依然有效；

感谢阅读，我们下篇见。