??作者：阿潤(rùn)菜菜
??專欄：Linux系統(tǒng)編程

重新認(rèn)識(shí)文件

1. 是不是只有C/C++有文件操作呢？python、java、go等文件接口操作的方法是不太一樣的，那如何理解這種現(xiàn)象？有沒有統(tǒng)一的視角去看待所有的語(yǔ)言文件操作呢？—我們今天從系統(tǒng)視角去理解 ---- 實(shí)際都是通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問
2. 文件=內(nèi)容+屬性 — 針對(duì)文件的操作：對(duì)內(nèi)容的操作，對(duì)屬性的操作，對(duì)內(nèi)容和屬性的操作
3. 文件可以分為兩大類：磁盤文件 和 被打開的文件（內(nèi)存文件）
4. 當(dāng)文件沒有被操作的時(shí)候，文件一般放在磁盤位置?？瘴募苍诖疟P中占據(jù)空間，因?yàn)槲募傩砸彩菙?shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)就需要空間。
5. 我們?cè)谖募僮鞯臅r(shí)候，文件需要在哪里？—內(nèi)存，依據(jù)馮諾依曼體系的規(guī)定
6. 所以我們?cè)谖募僮鞯臅r(shí)候，文件需要提前l(fā)oad到內(nèi)存，那load是內(nèi)容還是屬性？至少有屬性吧！那是不是只有你一個(gè)人在load呢？當(dāng)然不是，內(nèi)存中一定存在大量的不同文件的屬性
7. 所以，打開文件的本質(zhì)就是將需要的文件加載到內(nèi)存中，OS內(nèi)部一定會(huì)同時(shí)存在大量的被打開的文件，那操作系統(tǒng)需不需要管理呢？怎么管理？— 先描述，在組織！
8. 先描述 — 構(gòu)建在內(nèi)存中的文件結(jié)構(gòu)體 struct file （文件從磁盤中來，struct file* next連接下一個(gè)文件信息）。在組織 — struct file結(jié)構(gòu)體利用某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈接起來。在OS內(nèi)部，對(duì)被打開的文件進(jìn)行管理，就轉(zhuǎn)換成了對(duì)類似鏈表的增刪查改
9. 結(jié)論：文件被打開，OS要為被打開的文件，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
10. 所有文件操作的本質(zhì)就是進(jìn)程和被打開文件的關(guān)系。 — struct task_struct 和 struct file

系統(tǒng)內(nèi)部的文件操作

庫(kù)函數(shù)底層必須調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口，因?yàn)闊o(wú)論什么進(jìn)程想訪問文件，都必須按照操作系統(tǒng)提供的方式來進(jìn)行訪問，所以就算文件操作相關(guān)函數(shù)千變?nèi)f化，但是底層是不變的，這些函數(shù)最后都會(huì)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口，按照操作系統(tǒng)的意愿來合理的訪問磁盤上的文件。

我們不能用語(yǔ)言繞過操作系統(tǒng)去操縱硬件，所以必須通過系統(tǒng)調(diào)用通過操作系統(tǒng)來進(jìn)行文件操作！不管什么編程語(yǔ)言，只是不同語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行了各自不同的封裝，所以對(duì)這些文件操作接口的理解，其實(shí)就要落實(shí)到對(duì)系統(tǒng)調(diào)用接口的理解！ 也就是說所有的只要要訪問硬件或者操作系統(tǒng)內(nèi)部的資源，都要通過系統(tǒng)調(diào)用！避不開的！

我們C語(yǔ)言的文件操作

C語(yǔ)言文件操作接口主要包括以下幾類：

• 打開和關(guān)閉文件的接口，如fopen(), fclose()等。這些接口用于創(chuàng)建或打開一個(gè)文件，并返回一個(gè)FILE類型的指針，以及關(guān)閉一個(gè)已打開的文件，并釋放相關(guān)資源。
• 順序讀寫數(shù)據(jù)的接口，如fgetc(), fputc(), fgets(), fputs(), fprintf(), fscanf()等。這些接口用于從文件中讀取或?qū)懭胱址?、字符串或格式化?shù)據(jù)，并自動(dòng)移動(dòng)文件指針。
• 隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)的接口，如fread(), fwrite(), fseek(), ftell()等。這些接口用于從文件中讀取或?qū)懭攵M(jìn)制數(shù)據(jù)塊，并根據(jù)指定位置移動(dòng)或獲取文件指針。
• 其他輔助功能的接口，如feof(), ferror(), clearerr()等。這些接口用于檢測(cè)文件是否到達(dá)末尾、是否發(fā)生錯(cuò)誤、以及清除錯(cuò)誤標(biāo)志。

文件的打開方式：
r：以只讀的方式打開文件，若文件不存在就會(huì)出錯(cuò)。
w：以只寫的方式打開文件，文件若存在則清空文件內(nèi)容重新開始寫入，若不存在則創(chuàng)建一個(gè)文件。
a：以只寫的方式打開文件，文件若存在則從文件尾部以追加的方式進(jìn)行寫入，若不存在則創(chuàng)建一個(gè)文件。
r+：以可讀寫的方式打開文件，若文件不存在就會(huì)出錯(cuò)。
w+：以可讀寫的方式打開文件，其他與w一樣。
a+：以可讀寫的方式打開文件，其他與a一樣。

fopen, fread, fwrite, fseek, fclose等函數(shù)的使用

需要注意的是，當(dāng)向文件中寫入數(shù)據(jù)后，想要重新讀取到數(shù)據(jù)，要么需要關(guān)閉文件重新打開，要么就要跳轉(zhuǎn)讀寫位置到文件起始位置，然后再開始讀取文件數(shù)據(jù)。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
 
int main()
{
    FILE *fp = fopen("./bite", "wb+");
    if (fp == NULL) {
        perror("fopen error");
        return -1; 
    }   
    fseek(fp, 0, SEEK_SET);
    char *data = "linux so easy!\n";
    //size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
    size_t ret = fwrite(data, 1, strlen(data), fp);
    if (ret != strlen(data)) {
        perror("fwrite error");
        return -1; 
    }   
    fseek(fp, 0, SEEK_SET);//跳轉(zhuǎn)讀寫位置到，從文件起始位置開始偏移0個(gè)字節(jié)
    char buf[1024] = {0};
    //size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
    ret = fread(buf, 1, 1023, fp);//因?yàn)樵O(shè)置讀取塊大小位1，塊個(gè)數(shù)為1023因此fread返回值為實(shí)際讀取到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
    if (ret == 0) {
        if (ferror(fp)) //判斷上一次IO操作是否正確
            printf("fread error\n");
        if (feof(fp)) //判斷是否讀取到了文件末尾
            printf("read end of file!\n");
        return -1; 
    }   
    printf("%s", buf);
    fclose(fp);
    return 0;
}

當(dāng)然這些也都是C庫(kù)提供的函數(shù)，是對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的上層封裝，在系統(tǒng)級(jí)別文件操作我們是通過系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)的：

系統(tǒng)內(nèi)部的文件操作

文件操作系統(tǒng)調(diào)用接口是指Linux內(nèi)核提供的一組用于對(duì)文件進(jìn)行打開、讀寫、關(guān)閉等操作的函數(shù)。它們包括以下幾個(gè)常用的函數(shù)：

• open：打開一個(gè)文件，返回一個(gè)文件描述符，可以指定文件的打開方式和權(quán)限。
• write：向一個(gè)已打開的文件中寫入數(shù)據(jù)，返回實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)。
• read：從一個(gè)已打開的文件中讀取數(shù)據(jù)，返回實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。
• lseek：改變一個(gè)已打開文件的讀寫位置，返回新的偏移量。
• close：關(guān)閉一個(gè)已打開的文件，釋放資源。

這些函數(shù)都需要傳入一個(gè)文件描述符作為參數(shù)，它是一個(gè)非負(fù)整數(shù)，用于標(biāo)識(shí)不同的打開文件。每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的一組文件描述符，并且默認(rèn)有三個(gè)預(yù)定義的描述符：0代表標(biāo)準(zhǔn)輸入，1代表標(biāo)準(zhǔn)輸出，2代表標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出。

這些函數(shù)都有可能失敗，并返回-1，并設(shè)置errno變量為相應(yīng)的錯(cuò)誤碼。因此，在調(diào)用這些函數(shù)后，需要檢查返回值和錯(cuò)誤碼來判斷是否成功。
我們主要介紹前三個(gè):

OS一般會(huì)如何讓用戶給自己傳遞標(biāo)志位的？多個(gè)標(biāo)志位怎么實(shí)現(xiàn)呢？ — 位圖

其實(shí)是通過位操作實(shí)現(xiàn)的：

#include <stdio.h>

#define ONE 0x1
#define TWO 0x2
#define THREE 0x4
#define FOUR 0x8
#define FIVE 0x10

// 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
void Print(int flags)
{
    if(flags & ONE) printf("hello 1\n"); //充當(dāng)不同的行為
    if(flags & TWO) printf("hello 2\n");
    if(flags & THREE) printf("hello 3\n");
    if(flags & FOUR) printf("hello 4\n");
    if(flags & FIVE) printf("hello 5\n");
}


int main()
{
    printf("--------------------------\n");
    Print(ONE);
    printf("--------------------------\n");
    Print(TWO);
    printf("--------------------------\n");
    Print(FOUR);
    printf("--------------------------\n");

    Print(ONE|TWO);
    printf("--------------------------\n");

    Print(ONE|TWO|THREE);
    printf("--------------------------\n");

    Print(ONE|TWO|THREE|FOUR|FIVE);
    printf("--------------------------\n");

    return 0;
}

open：打開一個(gè)文件，返回一個(gè)文件描述符，可以指定文件的打開方式和權(quán)限

open有兩種調(diào)用方式:
一種是只傳入文件名和訪問模式，另一種是還傳入創(chuàng)建權(quán)限（如果需要?jiǎng)?chuàng)建新文件）。訪問模式有必需部分和可選部分，必需部分是 O_RDONLY（只讀）、O_WRONLY（只寫）或 O_RDWR（讀寫），可選部分有 O_APPEND（追加）、O_TRUNC（截?cái)啵_CREAT（創(chuàng)建）、O_EXCL（排他）等。創(chuàng)建權(quán)限是由幾個(gè)標(biāo)志按位或得到的，如 S_IRUSR（用戶讀）、S_IWUSR（用戶寫）、S_IXUSR（用戶執(zhí)行）等。

字符串/0 問題： 系統(tǒng)調(diào)用不需要這個(gè)！

使用 open 函數(shù)打開一個(gè)文件，如果不存在則創(chuàng)建一個(gè)新文件，并設(shè)置訪問模式為讀寫和追加，創(chuàng)建權(quán)限為用戶讀寫和組讀寫：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>

int main() {
    // 打開或創(chuàng)建一個(gè)文件
    int fd = open("test.txt", O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP);
    if (fd == -1) {
        // 打開失敗，打印錯(cuò)誤信息
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    // 打開成功，打印文件描述符
    printf("open success, fd = %d\n", fd);
    // 關(guān)閉文件
    close(fd);
    return 0;
}

創(chuàng)建目錄的命令mkdir，目錄起始權(quán)限默認(rèn)是0777，創(chuàng)建文件的命令touch，文件起始權(quán)限是0666，這些命令的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是要調(diào)用系統(tǒng)接口open的，并且在創(chuàng)建文件或目錄的時(shí)候要在open的第三個(gè)參數(shù)中設(shè)置文件的起始權(quán)限。

 25 int main()
 26 {
 27     umask(0);//將進(jìn)程的umask值設(shè)置為0000
 28 
 29     // C語(yǔ)言中的w選項(xiàng)實(shí)際上底層需要調(diào)用這么多的選項(xiàng)O_WRONLY O_CREAT O_TRUNC 0666
 30     // C語(yǔ)言中的a選項(xiàng)需要將O_TRUNC替換為O_APPEND
 31     int fd = open(FILE_NAME,O_WRONLY | O_CREAT,0666);//設(shè)置文件起始權(quán)限為0666
 32     if(fd < 0)
 33     {
 34         perror("open");
 35         return 1;//退出碼設(shè)置為1
 36     }
 37     close(fd);   
 38 }

### write：向一個(gè)已打開的文件中寫入數(shù)據(jù)，返回實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)
**write：向一個(gè)已打開的文件中寫入數(shù)據(jù)，返回實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)。需要傳入文件描述符、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。如果返回值小于請(qǐng)求的字節(jié)數(shù)，可能是因?yàn)殄e(cuò)誤或者設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)塊長(zhǎng)度敏感。如果返回值為 0，表示沒有寫入任何數(shù)據(jù)；如果返回值為 -1，則表示出現(xiàn)錯(cuò)誤。**

使用 write 函數(shù)向一個(gè)已打開的文件中寫入一段字符串，并檢查返回值是否正確：
```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    // 要寫入的字符串和長(zhǎng)度
    char *str = "Hello world!\n";
    int len = 13;
    // 向標(biāo)準(zhǔn)輸出（文件描述符為1）寫入字符串
    int ret = write(1, str, len);
    if (ret == -1) {
        // 寫入失敗，打印錯(cuò)誤信息
        perror("write error");
        exit(1);
    }
    if (ret != len) {
        // 寫入字節(jié)數(shù)不正確，打印警告信息
        fprintf(stderr, "write warning: expected %d bytes, but got %d bytes\n", len, ret);
    }
    // 寫入成功，打印返回值
    printf("write success, ret = %d\n", ret);
    
}

read：從一個(gè)已打開的文件中讀取數(shù)據(jù)，返回實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)

read：從一個(gè)已打開的文件中讀取數(shù)據(jù)，返回實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。需要傳入文件描述符、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。如果返回值小于請(qǐng)求的字節(jié)數(shù)，可能是因?yàn)殄e(cuò)誤或者已到達(dá)文件尾。如果返回值為 0，表示沒有讀取任何數(shù)據(jù)；如果返回值為 -1，則表示出現(xiàn)錯(cuò)誤。
使用 read 函數(shù)從一個(gè)已打開的文件中讀取一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到一個(gè)緩沖區(qū)中，并檢查返回值是否正確：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
   // 要讀取的字節(jié)數(shù)和緩沖區(qū)大小 
   int len = 100;
   char buf[100];
   // 從標(biāo)準(zhǔn)輸入（文件描述符為0）讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)中
   int ret = read(0, buf, len);
   if (ret == -1) {
       // 讀取失敗，打印錯(cuò)誤信息
       perror("read error");
       exit(1);
   }
   if (ret == 0) {
       // 讀取到文件尾，沒有數(shù)據(jù)可讀，打印提示信息
       printf("read end of file\n");
   }
   // 讀取成功，打印返回值和緩沖區(qū)內(nèi)容（注意添加結(jié)束符）
   printf("read success, ret = %d\n", ret);
  buf[ret] = '\0';
   printf("buf: %s\n", buf);

}

使用這些接口時(shí)，有一些事項(xiàng)需要注意：

• 在調(diào)用 open 函數(shù)時(shí)，要根據(jù)文件的用途和狀態(tài)選擇合適的訪問模式和創(chuàng)建權(quán)限。如果使用了 O_CREAT 標(biāo)志，要指定創(chuàng)建權(quán)限，否則可能導(dǎo)致文件權(quán)限不正確。如果使用了 O_EXCL 標(biāo)志，要檢查返回值是否為 -1，否則可能導(dǎo)致覆蓋已有文件。如果打開的是設(shè)備文件或符號(hào)鏈接，要注意一些特殊的訪問模式，如 O_NONBLOCK、O_NOCTTY、O_NOFOLLOW 等。
• 在調(diào)用 write 函數(shù)時(shí)，要保證數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的有效性和長(zhǎng)度正確性。如果寫入的是文本文件，要注意添加換行符或結(jié)束符。如果寫入的是二進(jìn)制文件，要注意字節(jié)序和對(duì)齊問題。如果寫入的是設(shè)備文件或網(wǎng)絡(luò)套接字，要注意數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度和超時(shí)問題。
• 在調(diào)用 read 函數(shù)時(shí)，要保證數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的有效性和大小足夠。如果讀取的是文本文件，要注意處理?yè)Q行符或結(jié)束符。如果讀取的是二進(jìn)制文件，要注意字節(jié)序和對(duì)齊問題。如果讀取的是設(shè)備文件或網(wǎng)絡(luò)套接字，要注意數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度和超時(shí)問題。
• 在調(diào)用這些接口后，都要檢查返回值是否為 -1，并根據(jù) errno 變量來判斷錯(cuò)誤原因，并進(jìn)行相應(yīng)的處理或提示。有些錯(cuò)誤可能是暫時(shí)性的或可恢復(fù)的，如 EINTR、EAGAIN、EWOULDBLOCK 等；有些錯(cuò)誤可能是嚴(yán)重性的或不可恢復(fù)的，如 EACCES、EBADF、EFAULT、EINVAL 等。

綜合使用：
fopen, fread, fwrite, fseek, fclose等函數(shù)的使用
需要注意的是，當(dāng)向文件中寫入數(shù)據(jù)后，想要重新讀取到數(shù)據(jù)，要么需要關(guān)閉文件重新打開，要么就要跳轉(zhuǎn)讀寫位置到文件起始位置，然后再開始讀取文件數(shù)據(jù)。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
 
int main()
{
    FILE *fp = fopen("./bite", "wb+");
    if (fp == NULL) {
        perror("fopen error");
        return -1; 
    }   
    fseek(fp, 0, SEEK_SET);
    char *data = "linux so easy!\n";
    //size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
    size_t ret = fwrite(data, 1, strlen(data), fp);
    if (ret != strlen(data)) {
        perror("fwrite error");
        return -1; 
    }   
    fseek(fp, 0, SEEK_SET);//跳轉(zhuǎn)讀寫位置到，從文件起始位置開始偏移0個(gè)字節(jié)
    char buf[1024] = {0};
    //size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
    ret = fread(buf, 1, 1023, fp);//因?yàn)樵O(shè)置讀取塊大小位1，塊個(gè)數(shù)為1023因此fread返回值為實(shí)際讀取到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
    if (ret == 0) {
        if (ferror(fp)) //判斷上一次IO操作是否正確
            printf("fread error\n");
        if (feof(fp)) //判斷是否讀取到了文件末尾
            printf("read end of file!\n");
        return -1; 
    }   
    printf("%s", buf);
    fclose(fp);
    return 0;
}

綜合使用：
open， read, write, lseek， close等函數(shù)的使用

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>//是close， write這些接口的頭文件
#include <string.h>
#include <fcntl.h>//是 O_CREAT 這些宏的頭文件
#include <sys/stat.h>//umask接口頭文件
 
 
int main()
{
    //將當(dāng)前進(jìn)程的默認(rèn)文件創(chuàng)建權(quán)限掩碼設(shè)置為0--- 并不影響系統(tǒng)的掩碼，僅在當(dāng)前進(jìn)程內(nèi)生效
    umask(0);
    //int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
    int fd = open("./bite", O_CREAT|O_RDWR, 0664);
    if(fd < 0) {
        perror("open error");
        return -1; 
    }   
    char *data = "i like linux!\n";
    //ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
    ssize_t ret = write(fd, data, strlen(data));
    if (ret < 0) {
        perror("write error");
        return -1; 
    }   
    //off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
    lseek(fd, 0, SEEK_SET);
    char buf[1024] = {0};
    //ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
    ret = read(fd, buf, 1023);
    if (ret < 0) {
        perror("read error");
        return -1; 
    }else if (ret == 0) {
        printf("end of file!\n");
        return -1; 
    }   
    printf("%s", buf);
    close(fd);
    return 0;
}

看看Linux內(nèi)核源代碼是怎么說的

可以看到內(nèi)核源代碼的設(shè)計(jì)內(nèi)容跟我們所說的基本一致

理解文件控制塊&&文件描述符&&文件指針的關(guān)系

在進(jìn)程中每打開一個(gè)文件，都會(huì)創(chuàng)建有相應(yīng)的文件描述信息struct file，這個(gè)描述信息被添加在pcb的struct files_struct中，以數(shù)組的形式進(jìn)行管理，隨即向用戶返回?cái)?shù)組的下標(biāo)作為文件描述符，用于操作文件

進(jìn)程可以打開多個(gè)文件，對(duì)于大量的被打開文件，操作系統(tǒng)一定是要進(jìn)行管理的，也就是先描述再組織，所以操作系統(tǒng)會(huì)為被打開的文件創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也就是文件控制塊FCB，在linux源碼中是struct file{}結(jié)構(gòu)體，包含了文件的大部分屬性

 #include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define FILE_NAME(number) "log.txt"#number

int main()
{
    int fd0 = open(FILE_NAME(1),O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//設(shè)置文件起始權(quán)限為0666
    int fd1 = open(FILE_NAME(2),O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//設(shè)置文件起始權(quán)限為0666
    int fd2 = open(FILE_NAME(3),O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//設(shè)置文件起始權(quán)限為0666
    int fd3 = open(FILE_NAME(4),O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//設(shè)置文件起始權(quán)限為0666
    int fd4 = open(FILE_NAME(5),O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//設(shè)置文件起始權(quán)限為0666
    printf("fd:%d\n",fd0);
    printf("fd:%d\n",fd1);
    printf("fd:%d\n",fd2);
    printf("fd:%d\n",fd3);
    printf("fd:%d\n",fd4);
    close(fd0);
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);  
}

結(jié)果：

通過上述講解，我們知道open系統(tǒng)調(diào)用會(huì)返回文件描述符，那它為什么是從3開始呢？？

其實(shí)main函數(shù)會(huì)默認(rèn)打開這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)文件：
這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)文件是：

• 標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）：用于從鍵盤或其他輸入設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，通常對(duì)應(yīng)文件描述符0。可以使用C語(yǔ)言的scanf、getchar等函數(shù)或者Linux的read系統(tǒng)調(diào)用來讀取標(biāo)準(zhǔn)輸入。
• 標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout）：用于向屏幕或其他輸出設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，通常對(duì)應(yīng)文件描述符1?？梢允褂肅語(yǔ)言的printf、putchar等函數(shù)或者Linux的write系統(tǒng)調(diào)用來寫入標(biāo)準(zhǔn)輸出。
• 標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出（stderr）：用于向屏幕或其他輸出設(shè)備寫入錯(cuò)誤信息，通常對(duì)應(yīng)文件描述符2?？梢允褂肅語(yǔ)言的fprintf、perror等函數(shù)或者Linux的write系統(tǒng)調(diào)用來寫入標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出。

這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)文件在程序啟動(dòng)時(shí)就被自動(dòng)打開，并且在程序結(jié)束時(shí)被自動(dòng)關(guān)閉，無(wú)需手動(dòng)操作。它們也可以被重定向到其他文件或設(shè)備，例如使用 > 或 < 符號(hào)。

所以為什么open文件操作后返回值 是3？ 因?yàn)?0 1 2 已經(jīng)被占用了 ---- 本質(zhì)是數(shù)組下標(biāo)

內(nèi)存中文件描述符，文件描述符表，文件控制塊，進(jìn)程控制塊的關(guān)系如下圖所示，文件描述符表，說白了就是一個(gè)存儲(chǔ)指向文件控制塊的指針的指針數(shù)組，而文件描述符就是這個(gè)指針數(shù)組的索引，進(jìn)程控制塊中會(huì)有一個(gè)指向文件描述符表的指針。通過文件描述符就可以找到對(duì)應(yīng)的被打開的文件。
操作系統(tǒng)通過這些內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將被打開的文件和進(jìn)程聯(lián)系起來。

深度理解

文件描述符的實(shí)質(zhì)：文件描述符是內(nèi)核為每個(gè)進(jìn)程維護(hù)的一個(gè)打開文件記錄表的索引值

C語(yǔ)言如何訪問系統(tǒng)？ 就是通過文件描述符；同樣的C++的cin、cout等類中也必須有文件描述符！沒有文件描述符，怎么通過操作系統(tǒng)訪問（系統(tǒng)調(diào)用）外設(shè)呢！ 每個(gè)編程語(yǔ)言都是如此！
通過上述的引出，我們可以知道文件描述符的實(shí)質(zhì)是：

• 文件描述符是一個(gè)非負(fù)整數(shù)，用于標(biāo)識(shí)不同的已打開文件。
• 文件描述符是內(nèi)核為了高效管理已打開文件所創(chuàng)建的索引，它可以用來調(diào)用各種I/O系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。
• 文件描述符是進(jìn)程級(jí)別的，每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的一組文件描述符，并且默認(rèn)有三個(gè)預(yù)定義的描述符：0代表標(biāo)準(zhǔn)輸入，1代表標(biāo)準(zhǔn)輸出，2代表標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出。
• 文件描述符可以被復(fù)制、重定向、關(guān)閉等操作，但不能被直接讀寫。要讀寫一個(gè)已打開文件，需要使用read、write等系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，并傳入相應(yīng)的文件描述符作為參數(shù)。

文件描述符表和file結(jié)構(gòu)體之間的關(guān)系是：

• 文件描述符表是內(nèi)核用來存儲(chǔ)每個(gè)進(jìn)程的文件描述符和對(duì)應(yīng)的打開文件信息的表格。每個(gè)進(jìn)程在其進(jìn)程控制塊（PCB）中都保存著一份文件描述符表
• file結(jié)構(gòu)體是內(nèi)核用來表示已打開文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含了當(dāng)前讀寫位置、訪問模式、狀態(tài)標(biāo)志等信息，以及指向?qū)?yīng)inode對(duì)象或者i-node表項(xiàng)的指針。file結(jié)構(gòu)體也可以稱為打開文件句柄或者打開文件表項(xiàng)。
• 文件描述符表和file結(jié)構(gòu)體之間通過指針相互連接，一個(gè)文件描述符可以指向一個(gè)或多個(gè)file結(jié)構(gòu)體，一個(gè)file結(jié)構(gòu)體也可以被一個(gè)或多個(gè)文件描述符所指向。這樣可以實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程或同一進(jìn)程中不同文件描述符共享同一個(gè)已打開文件。

文件描述符的分配規(guī)則：系統(tǒng)在創(chuàng)建文件描述符時(shí)會(huì)尋找當(dāng)前未使用的最小下標(biāo)

關(guān)閉012文件描述符產(chǎn)生的現(xiàn)象（新打開文件的fd被賦值為0或1或2）

當(dāng)關(guān)閉0或2時(shí)，打印出來的log.txt對(duì)應(yīng)的fd的值就是對(duì)應(yīng)的關(guān)閉的0或2的值，而當(dāng)關(guān)閉1時(shí)，顯示器不會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的fd的值。

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <sys/types.h>
  3 #include <sys/stat.h>
  4 #include <fcntl.h>
  5 #include <unistd.h>
  6 
  7 int main()
  8 {
  9     //close(0);
 10     //close(1);
 11     //close(2);                                                                                                                                        
 12     umask(0000);                                                                                                             
 13     int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//沒有指明文件路徑，默認(rèn)在當(dāng)前路徑下，也就是當(dāng)前進(jìn)程的工作目錄
 14     if(fd<0)                                                   
 15     {                                                          
 16         perror("open");                                        
 17         return 1;                                              
 18     }                                                          
 19                                                                
 20     printf("open fd:%d\n",fd);                                 
 21     close(fd);                                                 
 22     return 0;                                                  
 23 }    

測(cè)試結(jié)果：

分析：
所以實(shí)際上文件描述符在分配時(shí)，會(huì)從文件描述符表中的指針數(shù)組中，從小到大按照順序找最小的且沒有被占用的fd來進(jìn)行分配，自然而然關(guān)閉0時(shí)，0對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)的地址就會(huì)由stdin改為新打開的文件的地址，所以打印新的文件的fd值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)0。
關(guān)閉2也是這個(gè)道理，fd為2對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)的地址會(huì)由stderr改為新打開的文件的地址，所以在打印fd時(shí)，也就會(huì)出現(xiàn)2了。

文件描述符的分配規(guī)則是：

• 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程打開一個(gè)新的文件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在該進(jìn)程的文件描述符表中尋找當(dāng)前未使用的最小下標(biāo)，并將其分配給該文件。
• 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程關(guān)閉一個(gè)已打開的文件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將該文件對(duì)應(yīng)的文件描述符表項(xiàng)置為空，并釋放其占用的資源。
• 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程復(fù)制或重定向一個(gè)已打開的文件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在該進(jìn)程或目標(biāo)進(jìn)程的文件描述符表中尋找當(dāng)前未使用的最小下標(biāo)，并將其指向同一個(gè)file結(jié)構(gòu)體。

下面是一些示例代碼：

• 打開一個(gè)新的文件：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>

int main() {
    // 打開或創(chuàng)建一個(gè)新文件
    int fd = open("test.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd == -1) {
        // 打開失敗，打印錯(cuò)誤信息并退出
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    // 打開成功，打印分配到的文檔描述符
    printf("open success, fd = %d\n", fd);
    // 關(guān)閉文檔
    close(fd);
    return 0;
}

• 關(guān)閉一個(gè)已打開的文檔：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>

int main() {
    // 打開或創(chuàng)建一個(gè)新文檔
    int fd = open("test.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd == -1) {
        // 打開失敗，打印錯(cuò)誤信息并退出
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    // 打開成功，打印分配到的文檔描述符
    printf("open success, fd = %d\n", fd);
    
    // 關(guān)閉文檔
    int ret = close(fd);
    
     if (ret == -1) {
        // 關(guān)閉失敗，打印錯(cuò)誤信息并退出
        perror("close error");
        exit(1);
     }
     // 關(guān)閉成功，打印關(guān)閉信息
     printf("close success\n");
     
     return 0;
}

文件重定向與dup2系統(tǒng)調(diào)用 (內(nèi)核中更改fd對(duì)應(yīng)的struct file*地址）

重定向命令>和>>的含義和用法

• 重定向命令>和>>都是用來將一個(gè)命令的標(biāo)準(zhǔn)輸出或錯(cuò)誤輸出重定向到一個(gè)文件中，而不是顯示在屏幕上。
• 重定向命令>表示覆蓋模式，即如果目標(biāo)文件已經(jīng)存在，那么原來的內(nèi)容會(huì)被清空，然后寫入新的內(nèi)容。例如：echo “hello” > log.txt 表示將字符串"hello"寫入到log.txt文件中，如果log.txt文件已經(jīng)存在，那么原來的內(nèi)容會(huì)被覆蓋。
• 重定向命令>>表示追加模式，即如果目標(biāo)文件已經(jīng)存在，那么新的內(nèi)容會(huì)被追加到原來的內(nèi)容后面。例如：echo “world” >> log.txt 表示將字符串"world"追加到log.txt文件中，如果log.txt文件已經(jīng)存在，那么原來的內(nèi)容會(huì)保留。
• 重定向命令>和>>可以指定不同的文件描述符來重定向不同類型的輸出。默認(rèn)情況下，如果不指定文件描述符，那么就是1，表示標(biāo)準(zhǔn)輸出。如果要重定向錯(cuò)誤輸出，就要指定2作為文件描述符。例如：ls -l /etc/passwd /etc/abc > log1.txt 2> log2.txt 表示將ls -l 命令的標(biāo)準(zhǔn)輸出重定向到log1.txt文件中，并將錯(cuò)誤輸出重定向到log2.txt文件中。
  測(cè)試如下：

我們vim一個(gè)abc文件，可以看到abc文件中的內(nèi)容如下圖所示：

然后我們使用 ls > abc 命令之后可以看到abc中的內(nèi)容已經(jīng)被清空重定向了

：追加重定向，直接在文件的尾部進(jìn)行重定向

我們對(duì)abc文件進(jìn)行追加重定向，可以看到，直接在文件的尾巴進(jìn)行了重定向

重定向原理

簡(jiǎn)單說將 fd_array 數(shù)組當(dāng)中的元素struct file* 指針的指向關(guān)系進(jìn)行修改，改變成為其它的struct file結(jié)構(gòu)體的地址—每個(gè)文件描述符都是一個(gè)內(nèi)核中文件描述信息數(shù)組的下標(biāo)，對(duì)應(yīng)有一個(gè)文件的描述信息用于操作文件，而重定向就是在不改變所操作的文件描述符的情況下，通過改變描述符對(duì)應(yīng)的文件描述信息進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改變所操作的文件

詳細(xì)說文件操作重定向的原理是通過改變文件描述符對(duì)應(yīng)的文件描述信息，從而實(shí)現(xiàn)改變所操作的文件。文件描述符是一個(gè)整數(shù)，表示進(jìn)程和被打開文件的關(guān)系，通常有標(biāo)準(zhǔn)輸入（0）、標(biāo)準(zhǔn)輸出（1）和標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤（2）三種。重定向可以分為輸出重定向、追加重定向和輸入重定向三種類型。輸出重定向是將本應(yīng)該打印到顯示器的內(nèi)容輸出到了指定的文件中，例如 ls > list.txt；追加重定向是將本應(yīng)該打印到顯示器的內(nèi)容追加式地輸出到了指定的文件中，例如 ls >> list.txt；輸入重定向是將本應(yīng)該從鍵盤中讀取的內(nèi)容改為從指定的文件中讀取，例如 cat < input.txt。在Linux系統(tǒng)中，可以使用dup2系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)重定向，它可以將一個(gè)文件描述符復(fù)制到另一個(gè)文件描述符，并關(guān)閉后者。

dup2函數(shù)的功能和參數(shù)含義

int dup2(int oldfd, int newfd); 其實(shí)這個(gè)函數(shù)挺繞的，要理解起來需要自己研究一下才行：

通過man手冊(cè)我們可以對(duì)dup2函數(shù)進(jìn)行一些了解:

int dup2(int oldfd, int newfd);
函數(shù)功能為將newfd描述符重定向到oldfd描述符，相當(dāng)于重定向完畢后都是操作oldfd所操作的文件
但是在過程中如果newfd本身已經(jīng)有對(duì)應(yīng)打開的文件信息，則會(huì)先關(guān)閉文件后再重定向（否則會(huì)資源泄露）

怎么用？怎么傳參數(shù)？— 拷貝的整數(shù)所表示的內(nèi)容 — 注意最后只有oldfd保留就可以了?。?/mark> 就是oldfd把newfd覆蓋了 — 一般傳參例如：fd 1 （重定向輸出）— 只保留了fd

所以dup2函數(shù)是一個(gè)用于復(fù)制文件描述符的系統(tǒng)調(diào)用，它的功能是將參數(shù)oldfd所指的文件描述符復(fù)制到參數(shù)newfd所指定的數(shù)值，如果newfd已經(jīng)被打開，則先關(guān)閉它，如果newfd等于oldfd，則不做任何操作。dup2函數(shù)返回新的文件描述符，或者在出錯(cuò)時(shí)返回-1。

1. 輸出重定向：從原來的輸出到屏幕改為輸出到文件中，這就叫做輸出重定向。
   而追加重定向的方式也比較簡(jiǎn)單，只要將文件打開方式中的O_TRUNC替換為O_APPEND即可。

    8 int main()                            
    9 {
   10     umask(0000);                                                           
   11     int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//輸出重定向
E> 12     int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);//追加重定向
   13     if(fd<0)                                                                                                                                       
   14     {                                                                                  
   15         perror("open");                                                                
   16         return 1;                                                                      
   17     }                                                                                  
   18                                                                                        
   19     dup2(fd,1);                                                                        
   20                                                                                        
   21     printf("open fd:%d\n",fd);// printf --> stdout                                     
   22     fprintf(stdout,"open fd:%d\n",fd);// fprintf --> stdout                            
   23                                                                                        
   24     const char* msg = "hello linux";                                                   
   25     write(1,msg,strlen(msg));//向顯示器上write                                         
   26                                                                                        
   27     close(fd);                                                                         
   28     return 0;                                                                          
   29 }      

2. 輸出重定向：從原來的鍵盤中讀取數(shù)據(jù)，改為從文件fd中讀取數(shù)據(jù)，這就叫做輸入重定向。
   文件log.txt中的內(nèi)容，作為輸入重定向重新輸出到顯示器中，即使fgets獲取的方式是stdin也沒有關(guān)系，因?yàn)槲覀兪褂胐up2將stdin中的地址改為了文件log.txt的地址

  8 int main()
  9 {
 10     umask(0000);
 13     int fd = open("log.txt",O_RDONLY);//輸入重定向
 14     if(fd<0)
 15     {
 16         perror("open");
 17         return 1;
 18     }
 19 
 20     dup2(fd,0);//由鍵盤讀取改為從fd文件中讀取                                                                                                        
 21     char line[64];                  
 22     while(1)                                                                                                                  
 23     {                                                                                                                         
 24         printf("<");                                                                                                          
 25         if(fgets(line,sizeof(line),stdin)==NULL) break;                                                                       
 26         printf("%s",line);                                                                                                    
 27     }     
 28 }       

示例：

 void func() {
     int fd = open("./tmp.txt", O_RDWR|O_CREAT, 0664);//打開文件
     if (fd < 0) {
     return -1;
     }
     //將標(biāo)準(zhǔn)輸出，重定向到文件，這樣則寫往標(biāo)準(zhǔn)輸出的數(shù)據(jù)會(huì)被寫入到文件中，而不是被打印
     dup2(fd, 1);
     ?//printf內(nèi)部操作的是stdout標(biāo)準(zhǔn)輸出文件流指針，而文件流指針本質(zhì)上內(nèi)部包含的是1號(hào)描述符成員
     //printf的打印就是向標(biāo)準(zhǔn)輸出寫入數(shù)據(jù)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)輸出已經(jīng)被重定向，因此數(shù)據(jù)會(huì)被寫入文件中，而不是直接打印
     printf("hello bit");
     return 0;
}

Linux下面一切皆文件！

不同的硬件的讀寫方法一定是不一樣的，但在OS看來，一切設(shè)備和文件都是struct file內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在管理對(duì)應(yīng)的硬件時(shí)，雖然硬件的管理方法不在OS層，而是在驅(qū)動(dòng)層，這也沒有關(guān)系，只需要利用struct file結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)指針，調(diào)用對(duì)應(yīng)的硬件的讀寫方法即可。

終究還是封裝的思想！

Linux下一切皆文件是指，Linux系統(tǒng)中的所有資源，無(wú)論是硬件設(shè)備、普通文件、目錄、進(jìn)程、網(wǎng)絡(luò)連接等，都可以被抽象為文件，并且可以使用統(tǒng)一的接口來訪問和操作。

這樣做的好處是，簡(jiǎn)化了開發(fā)者和用戶對(duì)不同資源的處理方式，提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

這樣做的不利之處是，需要在文件系統(tǒng)中掛載每個(gè)硬件設(shè)備才能使用它們，而且可能會(huì)造成一些性能損失。
文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-802681.html

到了這里，關(guān)于【Linux】基礎(chǔ)IO（一） ：文件描述符，文件流指針，重定向的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！