Linux中的文件描述符

1. 认识文件描述符

文件描述符的概念：在Linux中，文件描述符是内核为了高效的管理已经被打开的文件所创建的索引 ，它是一个非负整数，用于指代被打开的文件，所有执行I/O操作的系统调用都是通过文件描述符完成的。文件描述符是一个简单的非负整数，用来表明每一个被进程打开的文件。
在Linux中，进程是通过文件描述符 (file descriptors 简称fd)来访问文件的，文件描述符实际上是一个整数。 在程序刚启动的时候，默认有三个文件描述符，分别是：0 (代表标准输入)，1 (代表标准输出)，2 (代表标准错误)。 我们可以通过open函数得到一个指定文件的文件描述符，如果出现错误则返回-1。open函数需要传入一个文件路径和操作模式，调用会返回一个整型的文件描述符。

在Linux系统中，open函数主要作用就是打开和创建文件，可以根据参数来定制需要的文件的属性和用户权限等各种参数。flag参数相当于是宏，并且是可选的，用于设置打开文件的模式。flag参数的取值如下：

O_RDONLY: 只读模式
O_WRONLY: 只写模式
O_RDWR : 读写模式
O_NONBLOCK: 非阻塞模式
O_APPEND: 追加模式
O_CREAT: 创建并打开一个新文件
O_TRUNC: 打开一个文件并截断它的长度为零（必须有写权限）
O_EXCL: 如果指定的文件存在，返回错误

open的用法

接下来我们打印一些文件描述符，观察一下文件描述符的规律；

#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include 

int main()
{
    int fd1 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    int fd2 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    int fd3 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    int fd4 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    int fd5 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    printf("fd1: %d\n", fd1);
    printf("fd2: %d\n", fd2);
    printf("fd3: %d\n", fd3);
    printf("fd4: %d\n", fd4);
    printf("fd5: %d\n", fd5);
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
    close(fd5);

    return 0;
}

可以看到是一串连续的整数，而0,1, 2是默认的文件描述符，分别是0 (代表标准输入)，1 (代表标准输出)，2 (代表标准错误)，所以文件描述符（open对应的返回值）本质就是：数组下标。

当我们打开一个文件，我们并没有创建数组，那么怎么会有上图的数组下标？

在Linux中，打开文件的过程涉及到进程、文件描述符、文件描述表、打开文件表、目录项、索引表之间的联系。当我们打开一个文件时，主要涉及了进程，文件描述符，文件描述表，打开文件表，目录项，索引表之间的联系。
具体来说，当我们打开一个文件时，操作系统会为该进程分配一个文件描述符（file descriptor），并将其存储在该进程的文件描述符表（file descriptor table）中。然后，操作系统会在打开文件表（open file table）中创建一个新的条目，并将该条目与该文件描述符相关联。此外，操作系统还会在目录项（directory entry）和索引表（inode table）中查找该文件，并将其加载到内存中。最后，操作系统会返回该文件描述符给应用程序，以便应用程序可以使用该文件描述符来访问该文件。

打开一个文件，系统做了大致如下几件事，首先CPU会寻找对应的struct task_struct（也就是进程PCB）；struct task_struct中有许多的struct file_struct *files指针，这些指针指向的就是不同的文件结构体，而struct file_struct结构体中就记录着文件描述符（操作系统方面，我们必须要访问fd(文件描述符)，才能找到文件！）；0、1、2对应的是三个默认的文件描述符，之后的文件描述符就是open返回的；磁盘将文件加载到内存，通过fd我们可以查找到内存中的文件，这些大致就是我们访问文件，操作系统的处理。
概念：PCB（Process Control Block）是进程控制块的缩写，是操作系统中最重要的记录型数据结构之一。PCB中记录了操作系统所需要的、用于描述进程情况及控制进程运行所需要的全部信息。

struct file结构体中，包含了文件权限，文件的大小，自己的缓冲区以及readp和writep等信息，这些信息都是以文件的方式存在的，外设通过驱动程序中的代码可以对文件进行读写。

Linux中所有内容都是以文件的形式保存和管理的。普通文件是文件，目录（Windows下称为文件夹）是文件，硬件设备（键盘、监视器、硬盘、打印机）是文件，所以说linux下一切皆文件。
查看文件描述符0， 1， 2,代码如下：

#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include 

int main()
{
    printf("%d\n", stdin->_fileno);
    printf("%d\n", stdout->_fileno);
    printf("%d\n",stderr->_fileno);
    File* fd = fopen("log.txt", w);
    printf("%d\n", fd->fileno);
 
    return 0;
}

2. 更改默认的文件描述符

文件描述符的分配规则是什么？请看如下代码：

int main()
{
	//先关闭0,2,再进行打开文件
    close(0);
    close(2);
    int fd1 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    int fd2 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    int fd3 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    int fd4 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    int fd5 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    printf("fd1: %d\n", fd1);
    printf("fd2: %d\n", fd2);
    printf("fd3: %d\n", fd3);
    printf("fd4: %d\n", fd4);
    printf("fd5: %d\n", fd5);
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
    close(fd5);
	return 0;
}

在Linux中，每个进程都有一个独立的文件描述符表，该表是一个数组，每个元素都是一个指向file结构体的指针。当进程打开一个文件时，内核会为该进程分配一个新的文件描述符，并将其返回给进程。文件描述符分配规则是在file_struct数组中，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。

2.1 输出重定向

#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include 

int main()
{
    close(1);
    int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666); //1
    printf("aaaaaaaaaaaa\n");
    printf("aaaaaaaaaaaa\n");
    printf("aaaaaaaaaaaa\n");
    //不用关掉fd :close(fd);

    return 0;
}

如上代码，先关掉默认描述符1（代表标准输出），所以关掉后printf函数就不会打印到显示器上；open后会返回一个文件描述符，根据文件描述符的规则：找到当前没有被使用的最小的一个下标，所以fd就是1；然后再打印字符串。

程序运行后，可以看到，数据没有打印在显示器上，而是打印在log.txt文件中了，这就是输出重定向。重定向的原理：在上层无法感知的情况下，在OS内部，更改进程对应的文件描述符表中，特定下标的指向。

2.2 输入重定向

先在log.txt文件中写入1234 5678

#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include 

int main()
{
    close(0);
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY);//0
    int a = 0, b = 0;
    scanf("%d %d",&a, &b);

    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
    return 0;
}

如上代码，先关掉默认描述符0（代表标准输入），open后会返回一个文件描述符，根据文件描述符的规则：找到当前没有被使用的最小的一个下标，所以fd就是0；然后再读取数据。

可以看到数据不是从键盘上读取的，而是从log.txt文件中读取的，这就是输入重定向。

2.3 追加重定向

追加重定向也是向显示器或文件中打印，所以close(1)。

#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include 

int main()
{
    close(1);
    int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);
    printf("aaaaaaaaaaaa\n");
    printf("aaaaaaaaaaaa\n");

    return 0;
}

3. dup2函数

将常规消息打印打log.txt，将异常消息打印到err.txt？由上面概念所示，我们需要close(1)，然后open一下，再close(2)，然后open一个文件就行。

#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include 

int main()
{
    close(1);
    open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);

    close(2);
    open("err.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);
    //因为linux下一切皆文件，所以向显示器打印，本质就是向文件中写入
    printf("hello printf->stdout\n");
    printf("hello printf->stdout\n");
    fprintf(stdout, "hello fprintf->stdout\n");
    fprintf(stdout, "hello fprintf->stdout\n");
    
    fprintf(stderr, "hello fprintf->stderr\n");
    fprintf(stderr, "hello fprintf->stderr\n");
    
    return 0;
}

运行结果如预料一样，如下所示：

如果我们需要将常规消息打印打log.txt，将异常消息打印到err.txt，那么我们要先关闭，再open，这样的工作就比较不方便，所以就有了dup。

dup2()是Linux系统中的一个系统调用，它可以将一个文件描述符复制到另一个文件描述符。 dup2()函数的原型如下：int dup2(int oldfd, int newfd);。
dup2()函数的作用是将newfd指向oldfd指向的文件，如果newfd已经打开，则先关闭newfd，然后将newfd指向oldfd指向的文件。

#include     
#include     
#include     
#include     
#include     
#include 

int main()
{
    int fd1 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);

    int fd2 = open("err.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);
    
    dup2(fd1, 1);
    dup2(fd2, 2);
    //因为linux下一切皆文件，所以向显示器打印，本质就是向文件中写入
    printf("hello printf->stdout\n");
    printf("hello printf->stdout\n");
    fprintf(stdout, "hello fprintf->stdout\n");
    fprintf(stdout, "hello fprintf->stdout\n");
    
    fprintf(stderr, "hello fprintf->stderr\n");
    fprintf(stderr, "hello fprintf->stderr\n");
    
    return 0;
}