文件IO_打开和关闭文件（附Linux-5.15.10内核源码分析）
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1.打开文件
1.1 函数原型介绍
1.1.1 open函数
1.1.2 creat函数
1.1.2 openat函数
1.2 内核源码分析
1.3 函数原型区别
2.关闭文件
2.1 函数原型介绍
2.1.1 close函数
2.2 内核源码实现
1.打开文件
1.1 函数原型介绍
1.1.1 open函数
#include
#include
#include
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); 函数简介：open函数用于打开一个文件，并返回一个文件描述符，应用程序可以通过文件描述符对文件进行读写等操作。open函数可以打开已经存在的文件，也可以创建一个新文件。
函数参数：
pathname：是文件的路径名。
flags：打开文件时的标志，可以设置为以下值之一或多个值的按位或：
- O_RDONLY：只读打开
- O_WRONLY：只写打开
- O_RDWR：读写打开
- O_CREAT：如果文件不存在，则创建文件
- O_TRUNC：如果文件存在且以写方式打开，则截断文件为零长度
- O_APPEND：以追加方式打开文件
mode：只有在O_CREAT标志被设置时才有效，用于指定文件的访问权限，可以设置为以下值之一：
#define S_IRWXU 00700 //用户可读，可写，可执行
#define S_IRUSR 00400 //用户可读
#define S_IWUSR 00200 //用户可写
#define S_IXUSR 00100 //用户可执行
#define S_IRWXG 00070 //组可读，可写，可执行
#define S_IRGRP 00040 //组可读
#define S_IWGRP 00020 //组可写
#define S_IXGRP 00010 //组可执行
#define S_IRWXO 00007 //其他用户可读，可写，可执行
#define S_IROTH 00004 //其他用户可读
#define S_IWOTH 00002 //其他用户可写
#define S_IXOTH 00001 //其他用户可执行mode可以通过八进制赋值，例如设置为0777，0777表示所有权限按位或。
需要注意的是mode需要与系统umask值共同作用才能得到最终的文件权限，umask作用去掉哪些权限，比如umask值为0022（八进制），标识去掉S_IWGRP和S_IWOTH权限。
文件最终权限计算方法为: mode &~ umask.
举例说明：
mode设置为0777，umask值为0022，文件最终权限为0755。
函数返回值：
成功：返回文件描述符，文件描述符为非负整数。
失败：返回-1，并设置errno。
示例代码
#define TEST_FILE "/tmp/test.txt"
int open_test() {
int fd = open(TEST_FILE, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0777);
if (fd == -1) {
perror("open error");
return -1;
}
return 0;
}
1.1.2 creat函数
#include
#include
#include
int creat(const char *pathname, mode_t mode); 函数简介：creat函数用于创建并打开一个新文件，并返回一个文件描述符，如果文件已经存在，则会将其截断为0字节，应用程序可以通过文件描述符对文件进行读写等操作。
函数参数：
pathname：文件路径名。
mode：是新文件的权限（参考open函数）。
函数返回值：
成功：返回文件描述符，文件描述符为非负整数。
失败：返回-1，并设置errno。
示例代码：
int creat_test() {
int fd = creat(TEST_FILE, 0644);
if (fd == -1) {
perror("creat error");
return -1;
}
return 0;
}
1.1.2 openat函数
#include
#include
#include
int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags);
int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags, mode_t mode); 函数简介：openat函数用于在指定目录下打开文件并返回文件描述符。它与open函数类似，但可以指定相对路径来打开文件，而不需要提供完整的文件路径。
函数参数：
dirfd：已打开的文件目录描述符。
pathname：是指定文件名的字符串。
flags：打开文件时的标志（参考open函数）。
mode：是新文件的权限（参考open函数）。
openat函数dirfd和pathname参数组合关系：
- 组合1：pathname为绝对路径时，按绝对路径方式打开文件，dirfd失效。
- 组合2：pathname为相对路径时，由dirfd（文件目录）和pathname（相对路径）共同决定打开的文件名。
- 组合3：pathname为相对路径时，如果dirfd设置为AT_FDCWD（当前工作目录），由dirfd（当前工作目录）和pathname（相对路径）共同决定打开的文件名。
函数返回值：
成功：返回文件描述符，文件描述符为非负整数。
失败：返回-1，并设置errno。
示例代码：
#define DIR_PATH "/tmp"
#define FILE "test.txt"
int openat_test() {
int dirfd = open(DIR_PATH, O_RDONLY);
if (dirfd == -1) {
perror("open dir error");
return -1;
}
int fd = openat(dirfd, FILE, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if (fd == -1) {
perror("openat error");
return -1;
}
return 0;
}1.2 内核源码分析
图 1-1 open函数内核源码分析
open，creat，openat通过系统调用再调用一个共同的函数do_sys_open函数，do_sys_open函数有四个参数：dfd，path，flags，mode。这四个参数对应openat函数原型四个参数。
open函数没有dfd参数，所以在调用do_sys_open函数之前dfd设置为默认值AT_FDCWD（当前工作目录）。
creat函数没有dfd参数和flags参数，所以在调用do_sys_open函数之前dfd设置为默认值AT_FDCWD（当前工作目录），以及flags设置为默认值O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC，creat因为flags默认值的关系，所以只能新建文件或者截断文件长度至0来打开文件。
openat函数需要传递四个参数至do_sys_open函数。
打开文件描述符系列函数源码调用路径如图，这里就不再赘述。
1.3 函数原型区别
（1）open函数和creat函数区别
- 区别1：open函数可以打开已存在的文件，也可以创建新文件，而creat函数只能创建新文件。如果文件已存在，creat函数会将其截断为零长度。
- 区别2：open函数的标志参数可以更加灵活地指定文件的打开方式，包括只读、只写、读写、追加等选项。而creat函数只能以写方式打开文件，并且具有固定的标志（O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC）。
（2）open函数和openat函数区别
- 区别1：open函数接受一个文件路径名作为参数，该路径名可以是绝对路径或相对路径。 openat函数需要传递一个已打开的目录文件描述符(dirfd)和一个相对于该目录的路径名作为参数。这种方式可以更加灵活地控制文件的打开位置。
- 区别2：目录解析方式： open函数的文件路径名会根据当前进程的工作目录进行解析。 openat函数的路径名是相对于提供的目录文件描述符(dirfd)进行解析。
- 区别3：安全性考虑： open函数在解析文件路径时，依赖于进程的当前工作目录。这可能会导致安全性问题，特别是在多线程环境下，因为当前工作目录是共享的。 openat函数提供了更安全的方式，可以避免依赖于进程的当前工作目录，而是通过提供目录文件描述符来指定相对路径。
2.关闭文件
2.1 函数原型介绍
2.1.1 close函数
#include
int close(int fd); 函数简介：close函数的作用是关闭文件描述符并释放相关资源。
函数参数：
fd：表示需要关闭的文件描述符。
函数返回值：
成功：返回0.
失败：返回-1，并设置errno，一些常见的错误码包括：
- EBADF：无效的文件描述符，即文件描述符未打开或已经关闭。
- EINTR：操作被信号中断。
- EIO：I/O错误。
2.2 内核源码实现
图 2-1 close函数内核源码分析
close函数通过系统调用sys_close函数进入内核空间，close通过fd找到struct file对象并清除和释放该对象，struct file的f_op成员会根据文件系统和文件类型不一样而设置不同的值，关闭文件时，也会调用f_op对应的一些具体函数清除资源，典型的情况如socket关闭，socket关闭需要完成三次握手，需要通过f_op->release函数实现。