Linux文件系统——文件描述符

本章gitee代码仓库：文件描述符

0. 前言

基础原理知识：

1. 文件 = 内容 + 属性

2. 文件分为：打开的文件（本章重点讲解）和没打开文件

   打开的文件，本质上是进程将其打开

   没打开的文件，存储在磁盘

3. 要访问这个文件，根据冯诺依曼体系结构，这个文件必须先加载到内存当中，文件又是内容+属性，那么第一步肯定是要先将文件的属性先加载进来，然后根据要不要对这个文件进行读取修改，从而决定是否将内容加载。

4. 一个进程可以打开多个文件，操作系统内部一定是存在者大量的被打开的文件，操作系统要对这些文件进行管理，肯定也是先描述，再组织。在内核当中，一个被打开的文件，都必须有自己的打开对象，这里面包含了文件的很多属性。而Linux内核是用C语言写的，所以描述这个文件，用的是struct结构体：

   struct xxx
   {
       文件属性;
       struct xxx *next;
   }
   

   这样对文件的管理就变成了对链表的增删查改。

1. C文件接口

文件打开

打开文件的接口fopen，头文件也是stdio.h

#include
#include
int main()
{
  printf("pid:%d\n",getpid());
  FILE *fp = fopen("log.txt","w");
  if(fp == NULL)
  {
    perror("fopen");
    return 1;
  }
  fclose(fp);
  sleep(1000);
  return 0;
}

如果不指定文件路径，则默认在当前工作目录创建或者访问这个文件

这个工作目录就是该进程的工作目录，指令ll /proc/进程pid，可查看进程的工作目录，cwd（current working directory）

如果我们修改当前进程的工作目录，则这个创建的文件，则会创建到修改的工作目录里面

chdir("/home/Pyh")

文件写入

这里采用fwrite作为演示

const char *str = "hello linux\n";
fwrite(str,strlen(str),1,fp);

这里的strlen(str),不需要再加上1（'\0'），因为字符串末尾加'\0'是C语言的规定，而这个和文件并没有关系，文件只关心这个内容

我们这里发现，这里写入的时候，都会将文件的内容进行清空然后再写入，而>这个重定向符号，也是会将文件进行清空再写入。

这本质上就因为"w"操作，会将原始文件的内容进行清空再写入，所以>打开文件的方式肯定是"w" 方式。

如果想要对文件不进行清空，那么可以采用"a"操作进行打开a就就是append追加，而追加重定向>>，就是以"a"方式打开文件。

C语言程序在启动的时候，会默认打开三个输入输出流（文件）：

• stdin：标准输入，键盘文件
• stdout：标准输出，显示器文件
• stderr：标准错误，显示器文件

那么我们可以直接向这些文件里面写入，例如：

fwrite(str,strlen(str),1,stdout);

2. 系统文件接口

文件是存储在磁盘上的，而磁盘是外设，所以访问文件就是访问硬件。而硬件是在操作系统之下，是被操作系统管理的，而我们的普通用户，是没有资格去直接访问硬件的，所以需要通过操作系统提供的接口来访问。而这就是系统调用，C语言的库函数，类似printf、fprintf、fscanf、fwrite这基本上都封装了系统调用。

open && write && close

在系统调用中，我们可以采用open接口打开文件

int main()
{
    umask(0);	//修改权限掩码
    int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);	//读取文件|创建，0666设置权限
    if(fd < 0)	//创建失败返回-1
    {
    perror("open file error\n");
    return 1;
    }
    return 0;
}

因为涉及到创建文件，所以权限是必须要告诉系统的，不然会出现乱码。

这里我们还修改了权限掩码，具体知识，之前在此篇文章讲到过，有兴趣可查看——Linux权限

• O_RONLY：只读打开
• O_WRONLY：只写打开
• O_RDWR：读写打开

上面这三个必须指定一个且只能指定一个

• O_CREAT：若文件不存在则创建，但必须要使用mode选项，指定文件访问的权限
• O_APPEND：追加写入
• O_TRUNC：清空文件内容

有了这些组合，我们就能推断出C语言库函数中的这些"w"、"a"封装的是哪些

​

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

int main()
{
  umask(0);
  //int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
  if(fd < 0)
  {
    perror("open file error\n");
    return 1;
  }
  const char *str = "abc";
  write(fd,str,strlen(str));
  close(fd);                                                                          
  return 0;                          
} 

open的返回值

在操作系统内部描述一个被打开的文件，会直接或者间接包含这些信息：

• 在磁盘的位置
• 文件的基本属性
• 文件的内核缓冲区信息
• 文件结构体指针struct file *next

在进程的task_struct结构体中，里面文件结构体指针struct files_struct *files，它指向了一个文件描述符表struct files_struct，这个表里面包含一个指针数组struct file *fd_array[]，它里面存放的就是struct file *。

当一个文件打开的时候，系统会创建一个文件对象，进程指向的文件描述表里面，就会给它分配一个没有占用的下标来指向这个对象。

所以这个open的返回值，其实就是返回这个数组的下标。

#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
  umask(0);
  //int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
  int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
  int fd2 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
  int fd3 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
  int fd4 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);
  if(fd1 < 0)
  {
    perror("open file error\n");
    return 1;
  }
  const char *str = "abc";
  write(fd1,str,strlen(str));
  printf("fd1:%d\n",fd1);
  printf("fd2:%d\n",fd2);
  printf("fd3:%d\n",fd3);
  printf("fd4:%d\n",fd4);
  close(fd1);
  return 0;
}

我们发现这个open返回的就是这个文件描述符对应数组的下标

但是这里是从3开始的，这就是以为C语言程序会默认打开三个输入输出流文件，这里我们也可以验证一下

C语言FILE这个结构体就包含了这个文件描述符

printf("stdin->%d\n",stdin->_fileno);
printf("stdout->%d\n",stdout->_fileno);
printf("stderr->%d\n",stderr->_fileno);

我们发现，这三个输入输出流的文件描述符分别是0、1、2

这里程序启动打开三个输入输出流，并不单是C语言的特性，而是操作系统的特性

因为在计算机开机的时候，我们的屏幕和键盘就被默认打开了，所以我们启动进程的时候，只需要将它们的文件对象地址填到进程的pcb里面

我们再来看一个现象：

close(1);
int n = printf("hello linux\n");
fprintf(stderr,"printf %d\n",n);

我们这里已经关闭的了标准输出，可是这里显示器上还是输出了信息，这是因为每个文件结构体对象中都包含了一个count引用计数，标准输出和标准错误都是指向的显示器文件，这里的计数就是2，所以我们close(1)其实是将该文件计数减一，然后再将1号位置置空，如果这个这个count计数不为零，则不管它，如果为零了，则系统回收这个文件对象。