UNIX环境高级编程---文件描述符浅析

UNIX环境高级编程---文件描述符浅析

最近看到一本书叫《UNIX环境高级编程》，网上称这本书被誉为UNIX编程“圣经”，对所有不同层次UNIX/LINUX程序员是一本不可缺少的参考书。自己最近恰好看到GLIB中IOChannel这部分，关于linux的IO这块很不清楚，先研究完这本书再说。

文件描述符是一个小的非负整数，内核用以标识一个特定进程正在存访的文件。当内核打开一个现存文件或创建一个新文件时，它就返回一个文件描述符。当读、写文件时，就可使用它。说白了就是我们通常使用的句柄一个意思。


一、文件描述符----文件表----v节点结构三者的联系

既然文件描述符标识特定进程正在访问的文件，那进程跟文件是怎么联系起来的呢？

1 首先我们得知道每运行一个进程，shell就会默认为其打开三个文件描述符(0,1,2)，分别与标准输入(stdin)，标准输出(stdout)和标准错误(stderr)对应。

2 接下来讲下内核所使用的三种数据结构，正是这三种数据结构才使进程最终跟文件联系起来。建议边看图一边看下面的文字描述

2.1 1) 每个进程在进程表中都有一个记录项，每个记录项中有一张打开文件描述符表，可将其视为一个矢量，每个描述符占用一项。与每个文件描述符相关联的是：(a) 文件描述符标志。(b) 指向一个文件表项的指针

2.2 2)内核为所有打开文件维持一张文件表。每个文件表项包含：(a) 文件状态标志(读、写、增写、同步、非阻塞等)。(b) 当前文件位移量。(c) 指向该文件v节点表项的指针。

2.3 3)每个打开文件（或设备）都有一个v节点结构。是文件的重要信息部分。

具体

如图一，下图表示以上三个数据结构的关系：



图一

总之图一是一定要弄明白的，否则后面会更模糊。


二、文件描述符的分配

文件描述符的分配：当用户调用相关函数比如open, creat等函数时，如果成功，会返回一个文件描述符，返回的文件描述符一定是当前进程最小没有用到的描述符。但是要特别注意文件描述符的最大值，可以通过命令$ulimit –n查看文件描述符的最大值，一般linux发行版都是1024，当然这个值可以修改的，具体可以参考关于文件描述符。


三、基于文件描述符的输入输出函数

接下来讲讲基于文件描述符的输入输出函数：

open：打开一个文件，并指定访问该文件的方式，调用成功后返回一个文件描述符。

creat：打开一个文件，如果该文件不存在，则创建它，调用成功后返回一个文件描述符。

close：关闭文件，进程对文件所加的锁全都被释放。

read：从文件描述符对应的文件中读取数据，调用成功后返回读出的字节数。

write：向文件描述符对应的文件中写入数据，调用成功后返回写入的字节数。

ftruncate：把文件描述符对应的文件缩短到指定的长度，调用成功后返回0。

lseek：在文件描述符对应的文件里把文件指针设定到指定的位置，调用成功后返回新指针的位置。

fsync:将所有已写入文件中的数据真正写到磁盘或其他下层设备上，调用成功后返回0。

fstat：返回文件描述符对应的文件的相关信息，把结果保存在struct stat中，调用成功后返回0。

fchown：改变与打开文件相关联的所有者和所有组，调用成功后返回0。

fchmod：把文件描述符对应的文件的权限位改为指定的八进制模式，调用成功后返回0。

flock：用于向文件描述符对应的文件施加建议性锁，调用成功后返回0。

fcntl：既能施加建议性锁也能施加强制性锁，能建立记录锁、读取锁和写入锁，调用成功后返回0。

dup：复制文件描述符，返回没使用的文件描述符中最小的编号。

dup2：由用户指定返回的文件描述符的值，用来重新打开或重定向一个文件描述符。

select：同时从多个文件描述符读取数据或向多个文件描述符写入数据。


这里就重点讲解下dup, dup2, fcntl函数，

1. dup:

函数原型：int dup(int filefd)

函数功能：复制一份现存的文件描述符filefd

2. dup2:

函数原型：int dup2(int Oldfilefd, int Newfield)

函数功能：复制一份现存的文件描述Oldfilefd，若Newfield等于Oldfilefd时，返回Newfield；若两者不相等时，若Newfield已经打开，先关闭Newfield，然后返回Newfield。

3. fcntl:

函数原型：int fcntl (int filefd, int cmd, …)

函数功能：fcntl有5种功能，通过第二个参数cmd来决定。这里只讲一种：复制一份现存的文件描述符，cmd为F_DUPFD。

由上面三个函数的功能都是复制文件描述符，记住是文件描述符，不是复制文件表，更不是复制v节点表，其实这三个函数有微妙的联系，如下：

dup(filefd)

相当于

fcntl(filefd, F_DUPFD, 0)


dup2(Oldfilefd, Newfilefd)

相当于

close(Newfilefd)

fcntl(Oldfilefd, F_DUPFD, 0)

主要区别是dup2操作是原子操作，执行过程中不会被打断，关于原子操作可以参考我的博文：Atomic Operation【原子操作符】简介【原】；。


四，dup, dup2, fcntl对文件描述符----文件表----v节点结构影响

《UNIX环境高级编程》一书第三章习题要求画出文件描述符----文件表----v节点结构三者的关系图。

如下题：

在假设一个进程执行下面的3个函数调用：

fd1 = open(pathname, oflags);

fd2 = dup(fd1);

fd3 = open(pathname, oflags);

画出结果图(类似于图一)。

解答：每次调用open就分配一个文件表项，如果两次打开的是相同的文件，则两个文件表项指向相同的v节点结构，所以文件描述符fd1跟fd2所指向的文件表项都指向相同的v节点结构。dup是复制文件描述符，复制的文件描述符所指向的文件表跟被复制的文件描述符一样。所以结果图就是图一。


五，参考资料

★ 《UNIX环境高级编程》

★ 关于文件描述符

★ 解惑dup/dup2(原创)

 

转自:http://hi.baidu.com/lammy/blog/item/804c9a2bc9f9a3f0e7cd4038.html