Linux- open() & lseek()

文件描述符

文件描述符（File Descriptor，简称 FD）是 UNIX 和 UNIX-like 系统中用于代表和识别打开的文件或其他I/O资源的一种抽象标识。它是一个非负整数，内部由操作系统进行管理和分配。文件描述符可以代表文件、套接字、管道等各种类型的I/O资源。

核心概念：

1. 标准文件描述符：当一个进程启动时，它默认会拥有三个已经打开的文件描述符。

   • 0 - 标准输入（STDIN）
   • 1 - 标准输出（STDOUT）
   • 2 - 标准错误输出（STDERR）

2. 分配：当新的文件或其他I/O资源被打开时（例如使用 open() 或 socket()），操作系统会为它分配最小的可用文件描述符。

3. 生命周期：文件描述符在资源打开时被创建，当资源被关闭时（例如使用 close()）被回收。

4. 重定向：在 shell 编程中，可以重定向文件描述符，将输出写入文件或从文件中读取输入。

5. 表：内核维护一个文件描述符表，每个进程都有其自己的文件描述符表。表中的每个条目都指向一个文件、套接字或其他类型的I/O资源。

6. 限制：每个进程都有一个文件描述符的上限，即它可以同时打开的最大文件数量。这个上限可以通过 ulimit 命令查看和修改（在某些系统中）。

使用文件描述符的例子：

• 使用 open() 打开文件：

  int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
  if (fd == -1) {
      perror("open");
  }
  

• 使用 read() 从文件描述符读取数据：

  char buffer[256];
  ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
  

• 使用 write() 向文件描述符写入数据：

  const char *message = "Hello, world!";
  ssize_t bytes_written = write(fd, message, strlen(message));
  

• 使用 close() 关闭文件描述符：

  close(fd);
  

文件描述符是 UNIX 和 UNIX-like 系统中低级I/O操作的核心。然而，在许多应用编程场景中，高级I/O函数（如标准C库中的 fopen(), fread(), fwrite() 等）提供了更简洁和可移植的接口，它们在内部使用文件描述符，但为开发者提供了更高级和更便于使用的抽象。

open()

open() 是在 UNIX 和 Linux 系统编程中常用的一个系统调用，用于打开或创建文件。一旦文件被打开，open() 会返回一个文件描述符，这是一个非负整数，可以用来引用该文件进行进一步的操作（如读、写或关闭文件）。

函数原型

#include 
#include 
#include 

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

第二个原型允许为新创建的文件指定权限。

参数

1. pathname: 要打开或创建的文件的路径名。
2. flags: 指定如何打开文件的标志。这些标志可以组合使用（使用 | 运算符）。常见的标志有：
   • O_RDONLY: 以只读方式打开文件。
   • O_WRONLY: 以只写方式打开文件。
   • O_RDWR: 以读写方式打开文件。
   • O_CREAT: 如果文件不存在，则创建文件。
   • O_EXCL: 与 O_CREAT 一起使用，确保文件在被创建时是新的，即如果文件已存在则调用失败。
   • O_TRUNC: 如果文件已存在且成功以写方式打开，则截断文件的长度为0。
   • O_APPEND: 打开文件进行追加（每次写都写在文件末尾）。
3. mode: 当使用 O_CREAT 标志时，该参数用于指定新文件的权限。它是一个八进制数，如 0644，表示文件所有者有读写权限，而组成员和其他用户只有读取权限。

返回值

• 成功时返回一个非负整数，即文件描述符。
• 失败时返回 -1，并设置 errno 以指示错误。

示例

1. 只读方式打开一个已存在的文件：

int fd = open("test.txt", O_RDONLY);

2. 读写方式打开一个文件，如果文件不存在则创建它，并设置权限为 0644：

int fd = open("test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);

3. 只写方式打开一个文件以追加内容：

int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_APPEND);

使用 open() 打开的文件应当在完成操作后使用 close() 函数关闭。这是良好的编程实践，可以避免资源泄漏。

lseek()

lseek() 是一个 UNIX 和 Linux 系统调用，用于改变文件描述符所指示的文件的当前读/写位置。这个系统调用允许应用程序随机访问文件中的任何位置，而不仅仅是连续地读取或写入文件。

原型

其函数原型如下：

#include 
#include 

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

参数

• fd: 文件描述符，通常是之前由 open() 函数返回的。
• offset: 相对于基准点（由 whence 参数指定）的字节偏移量。
• whence: 基准点，可以是以下之一：
  • SEEK_SET: 文件的开始位置。
  • SEEK_CUR: 文件的当前位置。
  • SEEK_END: 文件的结束位置。

返回值

• 如果成功，lseek() 返回新的文件偏移量（相对于文件开始的位置）。
• 如果失败，返回 -1 并设置 errno。

示例

下面是一个简单的示例，展示了如何使用 lseek()：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    int fd;
    off_t position;

    fd = open("test.txt", O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("Error opening the file");
        return 1;
    }

    // Move file pointer 10 bytes from the start
    position = lseek(fd, 10, SEEK_SET);
    if (position == (off_t) -1) {
        perror("lseek error");
        close(fd);
        return 1;
    }

    printf("Current file position: %ld\n", position);

    close(fd);
    return 0;
}

在这个示例中，我们首先打开一个名为 “test.txt” 的文件。然后，我们使用 lseek() 将文件指针从文件的开始位置向前移动10个字节。最后，我们输出了文件的新位置并关闭了文件。

需要注意的是，并不是所有的文件类型都支持 lseek()。例如，尝试在某些类型的设备文件或管道上使用 lseek() 可能会失败。