【Linux】文件描述符

思维导图

学习目标

      这篇博客学习文件描述符，对文件描述符进行进一步的学习，在了解一下硬件如何与文件联系起来。

一、回顾一下文件系统

      我们在C语言中学习了文件系统，连接了一下关于文件的一些函数：例如：fopen函数，fclose函数等……

1.1 介绍一下文件的打开模式：

      我们来写一段代码进行文件的一些基本操作，我们可以通过fopen函数来打开一个文件，并利用fwrite函数进行数据的写入，还有很多的写入操作；最后我们可以利用fclose函数进行文件的关闭。我们在进行文件操作时，我们需要先将程序跑起来，这样文件的打开和关闭是在CPU上进行运行的。

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
 
int main()
{
  FILE* fp = fopen("log.txt", "w");
  if(fp == NULL)
  {
    perror("fopen:");
    return 1;
  }
  char* tmp = "Hello, Linux!\n";
  fwrite(tmp, strlen(tmp), 1,fp);
  fclose(fp);
  return 0;
}

      之后，我们来看一些现象：在之前我们学习了两个符号：> 和 >> 。我们需要将这个fopen函数和这两个函数有一定的关系。

fopen以读的形式打开文件和 > 的关系

      当我们以读的形式打开文件时，当文件不存在时，就需要进行创建文件；当文件存在时，我们需要将文件进行清空，然后再进行写入操作。

      当我们使用echo > 指令时，会出现同一个现象：

      所以，fopen函数以读的形式打开文件和 > 指令追加到文件的操作是一样的。

fopen以追加的形式打开文件和 >> 的关系

      当我们以追加的形式打开文件，如果文件不存在，我们需要重新创建一个文件；如果文件存在，我们不需要进行刷新，直接将数据写入文件的末尾。

在使用echo >> 指令进行文件数据的追加：

1.2 提炼一下对文件的理解

      我们的文件的打开，本质是将文件的打开和写入都是交给进程进行操作的，文件在没有打开之前，在磁盘中存放，在一个进程中，我们会打开很多文件，因此操作系统将会把文件进行统一管理，先描述后组织。 文件 = 内容 + 属性。

1.3 什么叫做当前路径？

      我们使用fopen函数时，需要将要打开文件的路径进行传入，我们大多数人都只是利用当前路径进行创建文件，并进行文件的操作，我们需要将当前路径给大家进行解释：

      当我们在使用fopen函数进行文件操作时，出现了未存在的文件路径，在执行完程序后，我们可以看出文件创建在当前可执行程序的路径下。

所以，当前路径是否为可执行程序的路径？？

      在我们获取到进程的pid，进行查询该进程信息，我们可以看到两个软链接文件cwd和exe，cwd就是进程运行时我们所处的路径，而exe就是该可执行程序的所处路径。

      实际上，我们这里所说的当前路径不是指可执行程序所处的路径，而是指该可执行程序运行成为进程时我们所处的路径。

1.4 stdin & stdout & stderr

• C语言会默认打开三个输入输出流，分别是stdin、stdout、stderr；
• 仔细观察发现，这三个流的类型都是FILE*, fopen返回值类型，文件指针

二、文件的系统调用接口

      我们在进行文件的操作时，如果需要向文件中进行写入，我们需要访问磁盘，磁盘是一种硬件，因此，向文件中进行写入，本质就是向硬件中进行写入。我们用户没有权利向硬件进行写入操作，需要操作系统进行写入，操作系统必须要提供系统调用（OS不相信任何人的话），在之前的函数，就是在语言层面中对系统调用函数的封装。

下面，来介绍一下常用的系统调用函数：

open函数的原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

函数的参数部分：

• 第一个参数：我们需要进行写入的文件路径，我们需要将其传入
• 第二个参数：一些标志位，我们需要认识一些标志位，这些标志位通过按位与进行传参，我们需要通过位图的知识点来将每一个标志位进行分开，分别进行不同函数的操作。open函数的一些标志位的写法和用途：

      下面，我们来讲解一下标志位是如何进行传参的，这种传参方式只需要一个整数就能发挥出好几个整数的作用。

      我们先将int整数有32个比特位，每一个比特位，我们都可以表示一个信息，所以最多我们可以将每一个比特位上都放置一个函数，来进行函数的操作。这样传参的好处是：将函数的参数不需要进行堆积。下面进行代码：

#define O_one   1  // 0000 0001
#define O_two   2  // 0000 0010
#define O_three 4  // 0000 0100
#define O_four  8  // 0000 1000
 
void solve(int n)
{
  if(n & O_one)
  {}
  if(n & O_two)
  {}
  if(n & O_three)
  {}
  if(n & O_four)
  {}
}

• 第三个参数：表示创建文件的默认权限。在进行创建时，我们有可能创建出的文件的默认权限不是我们想要的，我们需要进行修改起始默认权限，这样就可以将我们想要的文件默认权限给求出。

这里来简要介绍一下umask函数：

umask函数原型：

#include <sys/stat.h>
 
mode_t umask(mode_t cmask);

umask函数的用途：是在创建文件时设置或者屏蔽掉文件的一些权限，使用时是遵循就近原则。

write函数的原型：

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

函数的参数部分：

• 第一个参数：文件描述符，我们之后的文件在进程中都是以文件描述符来进行标识，将我们要写入的文件描述符带入其中。
• 第二个参数：要写入文件中的数据，在一个缓冲区中存储。
• 第三个参数：写入数据的大小。
• 本质是拷贝函数

open函数在干嘛？？

1. 创建文件file；
2. 开辟文件缓冲区的空间，加载文件数据；
3. 查看进程的文件缓冲区表；
4. 将file地址填入文件缓冲区表的下标中；
5. 返回下标。

read函数的原型：

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

read函数的参数部分：

• 第一个参数：fd是文件描述符，指明了我们从哪一个文件进行读取数据。
• 第二个参数：buf是接收数据的缓冲区地址，我们将读取的数据放在缓冲区中。
• 第三个参数：count表示期望读取的字节数。
• 本质是拷贝函数

read函数的返回值：返回实际读取到的字节数

总结：

      fd是文件描述符，buf是接收数据的缓冲区地址，count表示期望读取的字节数。read函数会从指定的文件中读取count个字节到buf中，并返回实际读取到的字节数。在读取过程中，文件指针会根据读取的字节数偏移。

close函数的原型：

#include <unistd.h>
 
int close(int fd);

close函数的参数部分：

• 参数fd是要关闭文件描述符。当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。

由open返回的文件描述符一定是该进程尚未使用的最小的描述符。

三、文件描述符

      在上述函数的使用中，我会发现文件描述符其实是一个小整数。

3.1 0 && 1 &&& 2

• 这三个数就是C语言互默认打开的三个输入输出流：stdin、stdout、stderr。
• 在Linux系统中，我们会默认打开这三个描述符，分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2；
• 这里的0、1和2分别对应于键盘、显示器和显示器。

所以上述代码还可以通过写出下面的形式：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
 char buf[1024];
 ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));
 if(s > 0){
 buf[s] = 0;
 write(1, buf, strlen(buf));
 write(2, buf, strlen(buf));
 }
 return 0;
}

      而现在知道，文件描述符就是从0 开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file 结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行 open 系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files, 指向一张表 files_struct, 该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件。

总结：文件描述符的本质就是：就是在文件结构体中的数组的下标。

3.2 文件描述符的分配规则

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
 int fd = open("myfile", O_RDONLY);
 if(fd < 0){
 perror("open");
 return 1;
 }
 printf("fd: %d\n", fd);
 close(fd);
 return 0;
}

这个结果是：fd = 3。

如果我们进行关闭0或者2，在来看结果：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
 close(0);
 //close(2);
 int fd = open("myfile", O_RDONLY);
 if(fd < 0){
 perror("open");
 return 1;
 }
 printf("fd: %d\n", fd);
 close(fd);
 return 0;
}

      发现是结果是： fd: 0 或者 fd 2 可见， 文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。

四、如何理解硬件在系统中是以文件的形式存在？

      在上述过程中，我们知道了文件描述符0， 1和2对应的是键盘，显示器和显示器。那么我们应该怎么进行理解这个硬件和文件描述符进行关联起来的？Linux中一切皆文件！！！！

      首先，在iOS设备上建立一层驱动层，我们只需要将不同的设备建立不同的驱动层，用函数指针区调用函数的使用，在驱动层上面，使用文件将每一个设备的属性和方法建立在文件中。我们可以使用函数指针来进行调用函数。因此，将硬件设备和文件练习起来。

我们可以在原码进行验证：

五、进行进一步理解上面的东西（打通）

5.1 写入文件的操作进行串联一遍

      进程在打开文件时，进程会打开文件描述符表。文件描述表会指向一个文件，文件中有文件缓冲区和方法列表，我们使用write函数指定文件描述符和所要写入的数据，将数据写入文件缓冲区中，经过刷新将会刷新到磁盘中。

5.2 如何理解C语言通过FILE*访问文件呢？？

      在系统中，系统只认文件描述符。但是，我们在使用C语言进行文件操作时，只使用FILE*进行文件操作。fopen、fclose、fread等函数是库函数， 而标准输入、标准输出和标准错误都是以FILE*为类型的。

      FILE 是一个C语言提供的结构体类型，在结构体中的属性有fd。fd = (FILE*)fp->_fileno；C语言的接口在底层实现是系统调用。

C语言为什么要这样做？

      我们以后可以使用系统调用，也可以使用语言提供的文件方法，但是不推荐使用系统调用，在系统不同的情况下，系统调用的接口是不同的，代码不具有跨平台性，但是所有语言的代码是具有跨平台性的，所有语言要对不同的平台的系统调用进行封装，但是函数接口就有区别了。