＜Linux系统复习＞文件描述符

一、本章重点

1、进程和打开文件的关系

2、简单复习c语言文件操作

3、介绍系统调用：open、clos、write、read

4、理解文件描述符

5、文件描述符分配规则

6、理解stdin、stdout、stderr与fd的关系

7、理解linux下一切皆文件

8、理解重定向的本质

9、理解stdin和stdout的区别

10、理解缓冲区

01 进程和打开文件的关系

1、需要明确一点的是打开文件是由进程打开的，那么进程可以打开多个文件吗？当然可以，打开了多个文件，那么就需要将它们管理起来，操作系统是怎么管理这些打开文件的呢？先创建struct file用来描述打开的文件，然后将多个struct file用指针链接起来。

 那么struct file里面包含了什么呢?

1、部分磁盘文件的属性（权限、路径、最近一次修改时间等）

2、read方法、write方法。

........

关于struct file的疑惑后面会解答。

02 简单复习c语言文件操作

1、fwrite

2、fread

3、fprintf

03 介绍系统调用接口：open 、close、write、read

1、open、close、write

 

可以看到有两个open系统调用，它们是重载关系。

ssize_t 是 typedef int ssize_t

 其中O_WRONLY：代表只写，O_CREATE：代表没有该文件就创建，O_TRUNC：如果写之前文件有内容就清空文件所有内容。

0666代表创建文件的默认权限，但为什么创建出来的demo.txt权限是664？

答案：因为umask为0002，最终权限等于664 & (~002)，一般我们创建文件的时候，都会让umask等于0，不用系统的默认权限，因为有的操作系统的默认权限可能不是0002，因此使用umask（0）这个函数调用，可以让我们的程序更完美。

 

我们可以将O_WRONLY、O_CREATE、O_TRUNC看做c语言 “w” 的打开方，

O_WRONLY、O_CREATE、O_APPEND。看做c语言fopen中 “a” 的打开方式。

2、open、close、read

 

04 文件描述符

1、什么是文件描述符。

open系统调用返回的就是一个文件描述符，我们调用write和read也需要文件描述符。

 进程的task_struct中有一个指向struct files_struct结构体的指针，struct files_struct中有一个数组array_fd[ ]，该数组存储了该进程打开文件的struct file结构体，所谓的文件描述符，其实是数组下标，进程可以通过数组下标，找到打开文件的结构体，struct file里有文件的读写方法，就能够将进程的数据写到打开文件对于的磁盘文件，或者从磁盘文件读入到进程的数据中。

1、简单介绍：一个磁盘文件被打开，操作系统做了什么？

创建一个struct file内存文件结构，然后将它的地址放入进程的文件描述符表中，最后返回数组下标给用户。

05 文件描述符的分配规则

1、文件描述符的分配规则：优先分配最小的、未分配的数组下标。

为什么这个进程的文件描述符是从3开始的，如果是数组下标的话，不是应该从0开始吗?

答案：0 1 2被分配给键盘、显示器、显示器了。一个进程默认会打开3个流，stdin、stdout、stderr，分别对于0 1 2.

如果关闭0，那么按照规则来说，fd应该是0。

06 理解stdin、stdout、stderr与fd的关系

 stdin是FILE* 类型，那么FILE是什么呢？它是一个结构体。

我们都知道可以这样向屏幕打印字符

 也可以这样向屏幕打印。

 我们也知道c语言接口和系统接口的关系，c语言库函数是对系统接口的一层封装。

 为什么c语言接口要对系统接口进行一层封装呢?

①、系统接口不好用，对使用者要求高一点。

②、对系统接口进行封装，可以使得c语言函数在大多数操作系统都能够运行，移植性好。 

现在我们大概可以猜测出FILE里面包含了fd，如何证明？

07 理解linux下一切皆文件

 驱动层：由于不同厂商制作的硬件可能有差异，操作硬件的方法可能不同，所以在操作系统和硬件之间加了一个驱动层，驱动层提供方法给操作系统，这样不管什么硬件，只要安装了相关驱动，一般而言操作系统都能够使用该硬件。

struct file是打开文件的数据结构，进程可以通过fd找到struct file，然后通过struct file里面的方法可以对硬件或者普通文件进行读写，但对每个硬件或者普通文件的读写方法肯定是不同的，因此就需要别人提供方法的地址给它，struct file就不用管它要调用哪种方法了，而是直接使用read和write。这种调用同一个函数，通过传的函数地址不同，展示的功能不同，不就是多态吗？那么struct file就能够以一种统一的视角看待硬件和普通文件了，可以把键盘、显示器、网卡、磁盘都看做文件。

08 理解重定向的本质

1、先复习一下从定向

①、输出从定向

②、输入从定向

③、追加从定向

 

2、看看下面的这种现象

如何理解这种现象？

 可以把printf(“%s”,"谢谢你\n")与fprintf(stdout，“%s”,"谢谢你\n"）等价，又因为stdout包含了1，本来1是指向显示器的，关闭1后打开log.txt，根据文件描述符的分配规则，1指向的是log.txt，可是stdout可不管你是不是显示器，我只负责向文件描述符为1的打开文件写数据。

自然printf输入的数据到了log.txt磁盘文件中，这就是重定向的底层原理。

2、那么只能通过关闭0、1文件描述符，打开新的文件来实现重定向吗？我们还可以使用dup2()来实现重定向。

 注意的是：它是将oldfd拷贝到newfd，不要记反了。

 

09 stdin和stdout的区别

1、现象一

 似乎并没有什么区别，只要一个stdout不就好了吗？

 一个打印到屏幕上，一个输出到log.txt文件里，如何解释这种现象？

解释：

因为重定向的缘故，1文件描述符不再指向显示器，而是指向log.txt，因此标准输入会打印到log.txt中，但2文件描述符并未重定向，依然指向的是屏幕，因此标准错误打印到屏幕上。从这里我们也知道了，>重定向的只是1文件描述符。

2、现象二

 

10 缓冲区

1、一个令人疑惑的现象

 为啥无法打印出hello world？

解释：printf是c语言接口，默认向stdout流中输出数据，也就是向屏幕输出数据，但由于有c语言缓冲区的因素，该缓冲区刷新策略依靠内存文件指向的对象，如果指向屏幕，那么采取行刷新，如果是普通文件，则采取全刷新。close(1)，然后再打开log.txt，导致刷新对象由显示器变为普通文件，因此printf(“hello world”)的内容会保存在用户缓冲区（c语言缓冲区），最后因为你又关闭了1文件描述符，导致用户缓冲区无法通过1描述符将数据刷新到log.txt中。

如果最后没有关闭close(1)，在进程结束的时候，操作系统会自动将进程用户缓冲区的数据刷新到文件对象中。

2、关于close()和dup2的理解

dup2(fd,1)是将fd的内容拷贝到1中，假设fd是3，那么1和3都是指向新打开的文件的，也就是说你既可以通过1传入数据，也可以3来传入数据。

close(fd)，相当于将arr_fds[ fd ]置为0，并对指向的内存文件中的引用计数--，如果该计数为0，则需要释放该内存文件。

对于dup2(fd,1)，如果不需要fd和1同时指向log.txt文件，则可以关闭fd文件描述符。这个时候不能关闭1文件描述符，如果关闭，相当于dup2()调用和没调用是一样的。

3、综合题

  

解释：write直接输出到屏幕文件，而其他则输出到c语言提供的缓冲区中没有打印出来，由于进程的独立性，每个进程都有自己独立的缓冲区，同时子进程会继承父进程的缓冲区数据，最后在两个进程终止时，操作系统会将进程缓冲区的数据刷新到对应的文件中。

4、模拟实现一个perror