[OS-Linux]详解Linux的基础IO (1) ------- 文件描述符fd

 本文由文件IO相关操作的一些操作，进一步详解了文件描述符fd，重定向，FILE结构体。

目录

一、C语言中的文件I/O操作

二、系统文件I/O

1. 接口介绍

2. open函数返回值

三、文件描述符fd

四、文件描述符的分配规则

六、dup2 系统调用的使用

七、FILE

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一、C语言中的文件I/O操作

首先来回顾一下C语言中的文件I/O操作[C/C++]C语言中对文件的操作方法_RMA515T的博客-CSDN博客

之前的博客中就有详细的介绍。这里就只做简单演示。

#include 

int main()
{

  FILE *fp = fopen("zht2", "w+");
  if(!fp)
  {
    printf("erroe");

    return 1;
  }

  int count = 5;

  while(count--)
  {
    fwrite("hello\n", 6, 1, fp);
  }

  fseek(fp, 0, SEEK_SET);
  char buf[1024];
  while(1)
  {
    ssize_t s = fread(buf, 1, 7, fp);
    if(s > 0)
    {
      buf[s] = 0;
      printf("%s", buf);
    }
    if(feof(fp))
    {
      break;
    }
  }

  fclose(fp);
  return 0;

}

C默认会打开三个输入输出流，分别是stdin, stdout, stderr，这三个流的类型都是FILE*, fopen返回值类型，文件指针。

文件的打开方式：

   “r”（只读）：为了输入数据，打开一个已经存在的文本。如果文件不存在则文件出错。
    “w”（只写）： 为了输出数据，打开一个文本文件。如果文件不存在则建立一个新的文件。
    “a”（追加）：向文本文件尾添加数据。如果文件不存在则出错。
    “rb”（只读）： 为了输入数据，打开一个二进制文件。如果文件不存在则出错。
    “wb”（只写） ： 为了输出数据，打开一个二进制文件。如果文件不存在则建立一个新的文件。
    “ab”（追加）： 向一个二进制文件尾添加数据。如果文件不存在则出错。
    “r+”（读写）： 为了读和写，打开一个文本文件。如果文件不存在则出错。
    “w+”（读写）： 为了读和写，建议一个新的文件。如果文件不存在则建立一个新的文件。
    “a+”（读写）： 打开一个文件，在文件尾进行读写。如果文件不存在则建立一个新的文件。
    “rb+”（读写）：为了读和写打开一个二进制文件。如果文件不存在则出错。
    “wb+”（读写）： 读和写，新建一个新的二进制文件。如果文件不存在则建立一个新的文件。
    “ab+”（读写）： 打开一个二进制文件，在文件尾读写。文件不存在则写建立一个新的文件。

二、系统文件I/O

除了上述C接口操作文件，，我们还可以采用系统接口来进行文件访问，

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
  int fd = open("zht", O_RDWR | O_CREAT, 0666);

  if(fd < 0)
  {
    printf("erroe");

    return 1;
  }

  int count = 5;

  while(count--)
  {
    write(fd, "hello\n", 6);
  }

  lseek(fd, 0, SEEK_SET);
  char buf[1024];
  while(1)
  {
    ssize_t s = read(fd, buf, 6);
    if(s > 0)
    {
      write(1, buf, 6);
    }
    else 
    {
      break;
    }
  }

  close(fd);
  return 0;

}

当前路径是指进程运行时所处的路径。 

1. 接口介绍

open

#include 
#include 
#include 

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

pathname: 要打开或创建的目标文件
flags: 打开文件时，可以传入多个参数选项，用下面的一个或者多个常量进行“或”运算，构成flags。
参数:
        O_RDONLY: 只读打开
        O_WRONLY: 只写打开
        O_RDWR : 读，写打开
                这三个常量，能且只能用一个。
        O_CREAT : 若文件不存在，则创建它。需要使用mode选项，来指明新文件的访问权限
        O_APPEND: 追加写

返回值：
        成功：新打开的文件描述符
        失败：-1

open 函数具体使用哪个，和具体应用场景相关，如目标文件不存在，需要open创建，则第三个参数表示创建文件的默认权限,否则，使用两个参数的open。

write、read、close、lseek 可以类比C文件相关接口。

2. open函数返回值

open函数返回值是文件描述符fd，是一个整数。

在认识文件描述符fd之前，先来认识一下两个概念: 系统调用和库函数：
        fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数（libc）

        open close read write lseek 都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口

可以认为，f系列的函数，都是对系统调用的封装。

三、文件描述符fd

通过对open函数的学习，我们知道了文件描述符就是一个整数。

文件是进程运行时打开的，在Linux中一切皆文件，时Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0， 标准输出1， 标准错误2.
0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器
所以输入输出还可以采用如下方式：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{

    char buf[1024];
    ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));

    if(s > 0){
        buf[s] = 0;
        write(1, buf, strlen(buf));
        write(2, buf, strlen(buf));
    }

    return 0;
}

文件是

文件是由进程打开的，一个进程可以打开多个文件，文件被操作系统通过文件管理统一进行管理。 

这里涉及到一个文件的相关概念，磁盘文件和内存文件，磁盘文件就是我们保存在磁盘上的文件

，由内容和元属性构成的。内存文件，更多的是文件的属性，在缓冲区延后式的慢慢加载数据，是操作系统直接读取的。

 所谓文件描述符本质就是fd_arry数组的下标。

        当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file结构体，表示一个已经打开的文件对象。

        进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files, 指向一张表files_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针。

        本质上，文件描述符就是该数组的下标。只要有文件描述符，就可以找到对应的文件。

四、文件描述符的分配规则

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    int fd = open("file", O_RDONLY);

    if(fd < 0){
        perror("open");
        return 1;
    }

    printf("fd: %d\n", fd);

    close(fd);
    return 0;
}

输出发现是 3。

关闭0：

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    close(0);

    int fd = open("file", O_RDONLY);

    if(fd < 0){
        perror("open");

        return 1;
    }

    printf("fd: %d\n", fd);

    close(fd);
    return 0;
}

结果是： fd: 0

文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，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。

五、重定向

那如果关闭1：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    close(1);

    int fd = open("file", O_WRONLY|O_CREAT, 00644);

    if(fd < 0){

        perror("open");
        return 1;
    }

    printf("fd: %d\n", fd);

    fflush(stdout);

    close(fd);
    exit(0);
}

此时，我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件myfile 当中，其中，fd＝1。这种现象叫做输出重定向。常见的重定向有:>, >>, <
那重定向的本质是什么呢，如图所示：

 重定向的本质是修改文件描述符fd下标对应的struct file* 的内容。

六、dup2 系统调用的使用

函数:

#include 

int dup2(int oldfd, int newfd);

使用示例：

#include 
#include 
#include 

int main() 
{

    int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR);

    if (fd < 0) {

        perror("open");

        return 1;
    }

    close(1);

    dup2(fd, 1);

    for (;;) {
        char buf[1024] = {0};

        ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);

        if (read_size < 0) {

            perror("read");

            break;
        }

    printf("%s", buf);

    fflush(stdout);
    }

    return 0;
}

 七、FILE

因为IO相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过fd访问的,所以C库当中的FILE结构体内部，必定封装了fd。

首先，我们明确一下fopen在做什么：

        1.给调用的用户申请struct FILE结构体变量，并返回地址；

        2.在底层通过open打开文件并返回fd，把fd填充进FILE变量中的FILENO

再来明确缓冲，缓冲分三种：

        1.无缓冲；

        2.半缓冲（对显示器刷新数据）；

        3.全缓冲（对文件写入时）；

来一段代码：

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

int main()
{

    const char *msg0="hello printf\n";
    const char *msg1="hello fwrite\n";
    const char *msg2="hello write\n";

    printf("%s", msg0);

    fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);

    write(1, msg2, strlen(msg2));

    fork();

    return 0;

}

运行出结果：

如果对进程实现输出重定向./a.out > file ， 结果变成了：

 我们发现printf 和fwrite （库函数）都输出了2次，而write 只输出了一次（系统调用）。

这是因为：

        C库函数写入文件时是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲。
        printf、fwrite 库函数会自带缓冲区，当发生重定向到普通文件时，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。而我们放在缓冲区中的数据，就不会被立即刷新，甚至fork之后，但是进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中。但是fork的时候，父子数据会发生写时拷贝，所以当父进程准备刷新的时候，子进程也就有了同样的一份数据，随即产生两份数据。
        write 没有变化，说明没有所谓的缓冲。

在FILE结构体中