Linux——基础IO（二）：文件描述符，文件流指针，重定向

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1. 文件描述符

文件描述符就是内核当中 fd_array 数组的下标，是一个正整数

我们写出如下代码，并在代码最后加上一个循环，让代码不要退出

运行程序，后查看当前进程

如下图所示：

文件描述符：

• 0–>标准输入
• 1–>标准输出
• 2–>标准错误
  

1.1 文件描述符的实质：

在进程中有一个结构体指针(struct file_struct* files)，指向了一个结构体(struct files_struct),而在这个结构体(struct files_struct)中有一个数组，这个数组的下标就是文件描述符，数组的每个元素的类型是struct file*,struct file* 这个结构体指针指向 struct file这个结构体(保存了文件的元信息)，而最终和磁盘打交道的就是struct file这个结构体

1.2 文件描述符的分配规则：

最小占用原则：在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

如下代码所示，我们关闭了2，会发现fd不是3而是2

1.3 一个进程最大可以开多少个文件描述符？

进程最大打开文件描述符个数是由操作系统中一个参数限制的，可以通过命令：ulimit -a查看到一个open files，open files后面的值就是进程可以打开的最大文件描述符个数

最大文件描述符个数更改:ulimit -n

2. 文件流指针(FILE)

2.1 前言

我们可以先cd到 /usr/include目录下，在此目录下我们可以看到所有的头文件

我们在用vim打开stdio.h

此时我们就可以找到FILE

2.2 文件流指针的本质

• FILE文件流指针是一个typedef之后的值，本质是一个结构体
• 在“/usr/include/stdio.h”目录下可以看到

2.3 深究FILE

而我们怎么才能查看FILE这个结构体中的内容呢？

我们可以通过grep "struct _IO_FILE {" . -R命令进行搜索，此时我们会看到，这个结构体的位置在 ./libio.h

此时我们只需vim进入libio.h，在进行搜索即可找到

在struct _IO_FILE这个结构体中，我们可以看到读缓冲区和写缓冲区

int _fileno;当中保存的内容就是文件描述符

在此我们可以更清楚的了解文件流指针的工作原理，如下图所示：

     之前在进程终止的时候说的刷新缓冲区：指的是C库当中维护的读写缓冲区
     借助上图我们可以理解：_exit()函数之所以不会刷新缓冲区，是因为_exit()函数是内核代码，直接操作内核结束结束了进程，而此时并不会通知上层的C库，所以，C库维护的缓冲区完全在无感知的情况下进程就终结了

3. 文件流指针和文件描述符的区别

• 文件流指针是一个结构体，在结构体内部保存了文件描述符
   
• 文件描述符是一个正整数，其含义为fd_array数组的下标
   
• 文件流指针维护了读写缓冲区

4. 重定向

4.1 重定向的命令符号

 > ：清空重定向，将文件内容清空之后在重定向

测试如下：

我们vim一个abc文件，可以看到abc文件中的内容如下图所示：

然后我们使用 ls > abc 命令之后可以看到abc中的内容已经被清空重定向了

 >> ：追加重定向，直接在文件的尾部进行重定向

测试如下：
我们对abc文件进行追加重定向，可以看到，直接在文件的尾巴进行了重定向

4.2 重定向的原理

将 fd_array 数组当中的元素struct file* 指针的指向关系进行修改，改变成为其它的struct file结构体的地址

4.3 使用dup2系统调用

int dup2(int oldfd, int newfd);

通过man手册我们可以对dup2函数进行一些了解，我们会看到这样一段话

• newfd的值是拷贝于oldfd的值，及newfd的值来源于oldfd
   
  eg：上文重定向原理图解中的过程可以写为：dup2(3,0);

(1) 如果必要，使用dup2进行重定向的时候，会先关闭newfd
 

• 必要：oldfd是正常的文件描述符
   
• 如果oldfd不是一个有效的文件描述符，则不关闭newfd,重定向失败 eg：dup2(10,0) 没有文件描述符10
   
• 如果oldfd是一个有效的文件描述符并且和newfd是相同的文件描述符数值，则dup2什么事情都不有干 eg：dup2(0,0);

(2) 将oldfd的值拷贝给newfd

注意：
      一般C库函数写入文件时是全缓冲，而写入显示器是行缓存
      eg：“\n”==》行缓冲