[OS-Linux]详解Linux的基础IO ------- 文件描述符fd
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了[OS-Linux]详解Linux的基础IO ------- 文件描述符fd相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本文由文件IO相关操作的一些操作，进一步详解了文件描述符fd，重定向，FILE结构体。
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一、C语言中的文件I/O操作
首先来回顾一下C语言中的文件I/O操作[C/C++]C语言中对文件的操作方法_RMA515T的博客-CSDN博客
之前的博客中就有详细的介绍。这里就只做简单演示。
#include <stdio.h>
int main()
{
FILE *fp = fopen("zht2", "w+");
if(!fp)
{
printf("erroe");
return 1;
}
int count = 5;
while(count--)
{
fwrite("hello\\n", 6, 1, fp);
}
fseek(fp, 0, SEEK_SET);
char buf[1024];
while(1)
{
ssize_t s = fread(buf, 1, 7, fp);
if(s > 0)
{
buf[s] = 0;
printf("%s", buf);
}
if(feof(fp))
{
break;
}
}
fclose(fp);
return 0;
}
C默认会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*, fopen返回值类型，文件指针。
文件的打开方式：
“r”（只读）：为了输入数据，打开一个已经存在的文本。如果文件不存在则文件出错。
“w”（只写）： 为了输出数据，打开一个文本文件。如果文件不存在则建立一个新的文件。
“a”（追加）：向文本文件尾添加数据。如果文件不存在则出错。
“rb”（只读）： 为了输入数据，打开一个二进制文件。如果文件不存在则出错。
“wb”（只写） ： 为了输出数据，打开一个二进制文件。如果文件不存在则建立一个新的文件。
“ab”（追加）： 向一个二进制文件尾添加数据。如果文件不存在则出错。
“r+”（读写）： 为了读和写，打开一个文本文件。如果文件不存在则出错。
“w+”（读写）： 为了读和写，建议一个新的文件。如果文件不存在则建立一个新的文件。
“a+”（读写）： 打开一个文件，在文件尾进行读写。如果文件不存在则建立一个新的文件。
“rb+”（读写）：为了读和写打开一个二进制文件。如果文件不存在则出错。
“wb+”（读写）： 读和写，新建一个新的二进制文件。如果文件不存在则建立一个新的文件。
“ab+”（读写）： 打开一个二进制文件，在文件尾读写。文件不存在则写建立一个新的文件。
二、系统文件I/O
除了上述C接口操作文件，，我们还可以采用系统接口来进行文件访问，
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int fd = open("zht", O_RDWR | O_CREAT, 0666);
if(fd < 0)
{
printf("erroe");
return 1;
}
int count = 5;
while(count--)
{
write(fd, "hello\\n", 6);
}
lseek(fd, 0, SEEK_SET);
char buf[1024];
while(1)
{
ssize_t s = read(fd, buf, 6);
if(s > 0)
{
write(1, buf, 6);
}
else
{
break;
}
}
close(fd);
return 0;
}
当前路径是指进程运行时所处的路径。
1. 接口介绍
open
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);pathname: 要打开或创建的目标文件
flags: 打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行“或”运算，构成flags。
参数:
O_RDONLY: 只读打开
O_WRONLY: 只写打开
O_RDWR : 读，写打开
这三个常量，能且只能用一个。
O_CREAT : 若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明新文件的访问权限
O_APPEND: 追加写
返回值：
成功：新打开的文件描述符
失败：-1
open 函数具体使用哪个，和具体应用场景相关，如目标文件不存在，需要open创建，则第三个参数表示创建文件的默认权限,否则，使用两个参数的open。
write、read、close、lseek 可以类比C文件相关接口。
2. open函数返回值
open函数返回值是文件描述符fd，是一个整数。
在认识文件描述符fd之前，先来认识一下两个概念: 系统调用和库函数：
fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数（libc）
open close read write lseek 都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口
可以认为，f系列的函数，都是对系统调用的封装。
三、文件描述符fd
通过对open函数的学习，我们知道了文件描述符就是一个整数。
文件是进程运行时打开的，在Linux中一切皆文件，时Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0， 标准输出1， 标准错误2.
0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器
所以输入输出还可以采用如下方式：
#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;
}文件是
文件是由进程打开的，一个进程可以打开多个文件，文件被操作系统通过文件管理统一进行管理。
这里涉及到一个文件的相关概念，磁盘文件和内存文件，磁盘文件就是我们保存在磁盘上的文件
，由内容和元属性构成的。内存文件，更多的是文件的属性，在缓冲区延后式的慢慢加载数据，是操作系统直接读取的。
所谓文件描述符本质就是fd_arry数组的下标。
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。
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。
本质上，文件描述符就是该数组的下标。只要有文件描述符，就可以找到对应的文件。
四、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("file", O_RDONLY);
if(fd < 0){
perror("open");
return 1;
}
printf("fd: %d\\n", fd);
close(fd);
return 0;
}输出发现是 3。
关闭0：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
close(0);
int fd = open("file", O_RDONLY);
if(fd < 0){
perror("open");
return 1;
}
printf("fd: %d\\n", fd);
close(fd);
return 0;
}结果是： fd: 0
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。
五、重定向
那如果关闭1：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
close(1);
int fd = open("file", O_WRONLY|O_CREAT, 00644);
if(fd < 0){
perror("open");
return 1;
}
printf("fd: %d\\n", fd);
fflush(stdout);
close(fd);
exit(0);
}此时，我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件myfile 当中，其中，fd＝1。这种现象叫做输出重定向。常见的重定向有:>, >>, <
那重定向的本质是什么呢，如图所示：
重定向的本质是修改文件描述符fd下标对应的struct file* 的内容。
六、dup2 系统调用的使用
函数:
#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);使用示例：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR);
if (fd < 0) {
perror("open");
return 1;
}
close(1);
dup2(fd, 1);
for (;;) {
char buf[1024] = {0};
ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
if (read_size < 0) {
perror("read");
break;
}
printf("%s", buf);
fflush(stdout);
}
return 0;
}七、FILE
因为IO相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过fd访问的,所以C库当中的FILE结构体内部，必定封装了fd。
首先，我们明确一下fopen在做什么：
1.给调用的用户申请struct FILE结构体变量，并返回地址；
2.在底层通过open打开文件并返回fd，把fd填充进FILE变量中的FILENO
再来明确缓冲，缓冲分三种：
1.无缓冲；
2.半缓冲（对显示器刷新数据）；
3.全缓冲（对文件写入时）；
来一段代码：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
const char *msg0="hello printf\\n";
const char *msg1="hello fwrite\\n";
const char *msg2="hello write\\n";
printf("%s", msg0);
fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);
write(1, msg2, strlen(msg2));
fork();
return 0;
}运行出结果：
如果对进程实现输出重定向./a.out > file ， 结果变成了：
我们发现printf 和fwrite （库函数）都输出了2次，而write 只输出了一次（系统调用）。
这是因为：
C库函数写入文件时是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲。
printf、fwrite 库函数会自带缓冲区，当发生重定向到普通文件时，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。而我们放在缓冲区中的数据，就不会被立即刷新，甚至fork之后，但是进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中。但是fork的时候，父子数据会发生写时拷贝，所以当父进程准备刷新的时候，子进程也就有了同样的一份数据，随即产生两份数据。
write 没有变化，说明没有所谓的缓冲。
在FILE结构体中
以上是关于[OS-Linux]详解Linux的基础IO ------- 文件描述符fd的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章