Linux文件操作：文件描述符fd

2024-08-23 09:20
文章标签 linux 操作 fd 描述符

本文主要是介绍Linux文件操作：文件描述符fd，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

文章目录

  • 前言：
  • 回顾一下文件
    • 提炼一下关于文件的理解：
  • 理解文件：
  • 通过系统调用操作文件：
    • 理解标志位传参：
    • 打开文件 open
    • 写入信息 write
  • 理解文件描述符：
    • 对于open的返回值：
    • ==文件描述fd的本质是什么呢？==
  • 如何理解Linux中一切皆文件？
  • 打通系统调用和C语言函数

前言：

​ 现在我们对进程的总体概念也有了了解，下面我们进入新的模块学习。关于Linux如何操作文件。其关的操作也与进程有关。

回顾一下文件

​ 我们以前就使用C语言对文件进行读和写的操作，甚至说是追加append。下面代码就是一个最简单的使用C语言操作文件的代码：

#include <stdio.h>int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt", "w"); // 以写方式打开log.txt文件if(fp == NULL){perror("fopen");return 1;}fprintf(fp, "hello file");fclose(fp);return 0;
}

​ 最后的结果就是在当前目录文件夹下生成了对应的log.txt文件，这些我们在之前学习C语言的时候是有了解过的，我在这里也不必多说。但是我们现在是要从操作系统的角度来理解文件的，因此我们需要学习操作系统关于文件管理的操作。

​ 值得注意的是，这里以写方式操作文件
​ 1、如果文件不存在，就在当前路径下，新建指定文件。
​ 2、默认打开文件的时候，就会把里面的数据全部清空

提炼一下关于文件的理解：

文件 == 属性 + 内容

  • 首先，从语言层面（c语言，c++）来讲，我们是无法真正理解文件的。

    ——这是因为各个语言对应文件管理的接口不一样。因此我们要从操作系统的角度来学习。
    我们要进行文件操作，前提是我们的程序跑起来了，文件的打开和关闭，本质是CPU在执行我们的代码。

  • 操作文件，本质是进程在操作文件。

    1. 文件在没有被打开的时候是存在于磁盘中的。
    2. 一个进程可以打开多个文件

    在很多情况下，操作系统内部一定存在大量被打开的文件，因此操作系统必须对打开的文件进行管理！！！
    谈及管理永远六个字：“先描述，在组织”

    因此我们猜测，未来估计会有一个类似于task_struct的结构体对文件进行管理

理解文件：

  • 操作文件，本质是进程在操作文件。

  • 文件最是存在于磁盘之中，是外设硬件

  • 向文件写入 => 向硬件中写入

    单用户没有权限直接写入，因为OS是硬件的管理者，OS必须给我们提供系统调用（OS不相信任何人），但是对于fprintf / fscanf 等等C库函数，我们却可以向显示器 / 磁盘 等硬件中写入 / 读取。
    本质：我们用的C / C++都是对系统调用的封装（后面再谈封装）

通过系统调用操作文件：

理解标志位传参：

​ 我们先来看一份代码：

#include <stdio.h>#define ONE 1             //  1   0000 0001
#define TWO (1 << 1)      //  2   0000 0010
#define FOUR (1 << 2)     //  4   0000 0100void print(int num)
{if(num & ONE){printf("1 ");}if(num & TWO){printf("2 ");}if(num & FOUR){printf("4 ");}
}int main()
{print(ONE);printf("\n");print(TWO);printf("\n");print(FOUR);printf("\n");print(ONE | TWO);printf("\n");print(ONE | FOUR);printf("\n");print(TWO | FOUR);printf("\n");}

最后的运行结果为：
image-20240822203053894

这需要我们理解按位或的操作，才能理解上述操作，接下来我们就来介绍系统调用函数

打开文件 open

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>int open(const char* pathname,  // 表示要打开的文件的所在路径，如果只有文件名则默认在当前路径int flags, 			  // 表示打开文件的方式mode_t mode            // 给文件赋予权限，可不提供该参数 (新文件权限随机，旧文件不变));

​ 我们在上述介绍的位图的概念，其实是为我们的参数做铺垫。对于第一个参数pathname不难理解，怎对于int flag，本质是用比特位来进行标志位的传递（OS设计了很多系统调用接口的常见方法）。传递方式就如同上述所讲的一致。

  • O_WRONLY -> 以写方式打开文件
  • O_CREAT -> 不存在则创建文件
  • O_TRUNC -> 如果文件已经存在，将原有的内容清空（截断）
  • O_APPEND -> 追加信息
  • O_CREAT -> 如果文件不存在，则创建它。需要第三个参数 mode 来指定新文件的权限。
  • O_EXCL -> 和 O_CREAT 一起使用时，如果文件已存在，则 open 失败，确保文件是新建的。
  • O_TRUNC -> 如果文件已存在且以写方式打开，则将文件内容清空。
  • O_APPEND -> 以追加的方式打开文件，写入的数据会添加到文件末尾。
  • O_NONBLOCK -> 对于设备文件，以非阻塞方式打开
  • O_SYNC -> 将写操作同步到磁盘。
  • O_DSYNC -> 类 O_SYNC，但只同步写入操作，不包括元数据的更新

代码演示：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>int main()
{int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0270); // 已权限270的方式创建if(fd < 0){perror("open");return 1;}return 0;
}

image-20240822212004029

写入信息 write

#include <unistd.h>ssize_t write(int fd,           // 文件描述符，表示要写入的是哪个文件const void *buf,  // 要写入到文件中的字符串的起始地址size_t count      // 要写入到文件当中的字节数
);

代码演示：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>int main()
{int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0270); // 已权限270的方式创建if(fd < 0){perror("open");return 1;}const char* message = "hello system call -> write!\n";write(fd, message, strlen(message));return 0;
}

image-20240822212544165

在这里肯定也存在close关闭文件的，在这里我不做过多的赘述，不要忘记就好了。

理解文件描述符：

对于open的返回值：

​ 先看代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>int main()
{int fda = open("loga.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);int fdb = open("logb.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);int fdc = open("logc.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);printf("fda -> %d\n", fda);printf("fdb -> %d\n", fdb);printf("fdc -> %d\n", fdc);close(fda);close(fdb);close(fdc);return 0;
}

image-20240822213428312

​ 诶，在这里我们发现为什么我们创建新的文件后，对于open返回后的值是从3开始的呢？
不是都说程序员都是从0开始数数的吗，为什么不是从0，而是从3呢？

  • 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

  • 你说的嘛，0 && 1 && 2是默认打开的，那么我们可以直接去找对对应的显示1号，直接写入，最后肯定也会直接打印在显示器上：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>int main()
{const char* message = "hello No.1 -> Monitor!\n";write(1, message, strlen(message));return 0;
}

image-20240822214814456

​ 结果也确实如此，这也说明了我们后面创建的文件标识符都是从3开始的。

文件描述fd的本质是什么呢？

问题就是凭什么我们可以直接对一个整形1写入，就可以在显示器显示？

image-20240822222245468

​ 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 。

原理说白了就是：先描述，再组织

简单来说，open是在干嘛呢？

  1. 创建struct file
  2. 开辟文件缓冲区的空间，加载文件数据（这个过程可以延后）
  3. 查看进程的文件描述符
  4. 将struct file地址填入对应的表下标中
  5. 返回下标

所以，本质是文件映射关系的数组的下标。无论读写，都必须在合适的时候让OS把文件的内容读到文件缓冲区中。

如何理解Linux中一切皆文件？

​ 现在我们只是知道0 && 1 && 2 代表着键盘和显示器，可是这些是硬件啊，我们又该如何向这些硬件中写入和读取呢？

  • 如何使用C语言创建类？

    ​ 了解过C++的都知道，C++是一门面向对象的编程语言，而在C++中一切皆对象已经熟的不能再熟。为什么我们使用C++那么爱”类“？无非就是方便管理，正如老板肯定想的是如何赚大钱，那赚大钱的基础肯定是需要管理好手下的员工。正如使用C++目的是为了创建维护良好的项目，基础就是将数据代码管理好，因此也是需要管理！谈及管理，永远绕不开的六个字 —— ”先描述，再组织“。
    ​ 类的出现就完美的实现了这六个字，不同于C语言创建的struct 对象，C++通过类创建出来的class 对象拥有灵活的“组织“功能，关键就是类能“描述”函数，函数就是方法，每个对象都有自己对应的方法！
    ​ 所以知道区别后，C语言想要实现C++的类，需要的正是“描述”函数，来创建动作。
    ​ 对于不同struct对象的函数，我们便可以使用函数指针来找到对应的函数，从而实现类的操作。

  • 深入剖析：

    image-20240822235724252

    ​ 对于每个硬件来说，都有自己独特的函数，例如read和write方式，但是硬件与硬件之间，甚至说型号与型号之间的read函数肯定不一样，然而我们并不需要关系这些区别，我们只负责使用就好！至于read函数是如何实现的，不必关心，因为在每个硬件都会收到对应的struct file进行管理，每个struct file内部都会有对应硬件的函数的函数指针，通过函数指针就能直接使用专门对应的函数。

    不必关系底层实现，只负责使用。便是一切皆文件的意义！

    ​ 而我们又会发现，以上这种通过函数指针调用不同函数的方式，不就是我们在C++学习的多态吗！！！！

打通系统调用和C语言函数

​ 现在我们知道，系统在访问文件时，OS只认文件标识符fd。
image-20240823000619243

  • 那对于系统调用和C语言的库函数有什么关系吗？

    我们在使用C语言操作文件时，打开文件是使用函数fopen的，而函数fopen的返回值确实FILE*。
    FILE 本质是一个结构体，内部是会封装文件标识符的。

    #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>int main()
{FILE* fp = fopen("log.txt", "w");printf("stdin-> %d\n", stdin->_fileno);printf("stdout-> %d\n", stdout->_fileno);printf("stderr-> %d\n", stderr->_fileno);printf("fp-> %d\n", fp->_fileno);fclose(fp);return 0;
}

    image-20240823001610356

    FILE 本质是一个结构体，内部是会封装文件标识符的。而这个文件标识符就是_fileno。

    因为stdin、stdout和stderr的类型如下：

    extern FILE* stdin;
extern FILE* stdout;
extern FILE* stderr;

    所以我们也能打印他们对于的文件标识符，也和上面讲的一样，默认为0、1、2

  • 为什么要进行封装？

    ​ C语言的这些函数代码，是在我们配置环境时存在于自动下载的库当中，而这个库就是我们
    熟知的——C标准库。

    ​ 我们当然可以不用C语言的方式而使用系统调用来操作文件，但是不同平台具有不同的系统调用。windows有自己的一套，Linux有自己的，mac当然也有自己的。所以为了保证代码跨平台性我们建议使用C语言的方式来操作文件。
    ​C语言在封装的时候，会使用条件编译来区分操作系统的类别：

    fopen()
{
#if windows[...windows...]
#elif mac[...mac...]
#elif linux[...linux...]
}

    然后通过这一份代码，针对不同的操作系统生成不同的C标准库，即可完成跨平台性！

这篇关于Linux文件操作：文件描述符fd的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1098977。

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