一、明確基本共識(shí)

• 文件等于內(nèi)容加屬性，內(nèi)容和和屬性都是數(shù)據(jù)，不管是內(nèi)容還是屬性都要在磁盤中保存。

• 文件分為打開(kāi)的文件和沒(méi)打開(kāi)的文件。

• 打開(kāi)的文件本質(zhì)是進(jìn)程打開(kāi)的，要研究打開(kāi)的文件，本質(zhì)是研究進(jìn)程和文件的關(guān)系。

• 對(duì)文件的所有操作（打開(kāi)文件、讀取文件、向文件寫入）等，都是通過(guò)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而代碼最終是由 CPU 去執(zhí)行的，根據(jù)馮諾依曼結(jié)構(gòu)體系，CPU 不能直接和外設(shè)打交道，因此一個(gè)被打開(kāi)的文件，第一步一定是先將其加載到內(nèi)存。

• 一個(gè)進(jìn)程能夠打開(kāi)多個(gè)文件，所以在操作系統(tǒng)內(nèi)部一定存在大量的被打開(kāi)的文件，操作系統(tǒng)還是通過(guò)先描述，再組織的方式對(duì)打開(kāi)的文件進(jìn)行管理。每個(gè)被打開(kāi)的文件都必須有自己的文件打開(kāi)對(duì)象，其中一一定包含了文件的很多屬性，將這些文件對(duì)象以某種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織起來(lái)，最終對(duì)文件的管理，就變成了對(duì)某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的維護(hù)（增刪查改）。

• 沒(méi)打開(kāi)的文件一般都是在磁盤上放著，對(duì)于沒(méi)打開(kāi)的文件，由于沒(méi)打開(kāi)的文件非常多，所以對(duì)于沒(méi)打開(kāi)的文件我們最關(guān)心文件如何被分門別類的放置好，分門別類的放置好是為了快速的進(jìn)行增刪查改。

二、C語(yǔ)言文件接口回顧

2.1 文件的打開(kāi)操作

// 文件打開(kāi)接口
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

第一個(gè)參數(shù) path ，表示要打開(kāi)的文件路徑，或者文件名。如果只有文件名前面沒(méi)寫路徑，表示打開(kāi)當(dāng)前路徑下的文件。這里又涉及到當(dāng)前路徑，在前一篇文章中實(shí)現(xiàn) cd 指令的時(shí)候就講過(guò)什么是當(dāng)前路徑?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)前工作路徑是一個(gè)進(jìn)程 PCB 中維護(hù)的一個(gè)屬性。一個(gè)可執(zhí)行程序在被加載到內(nèi)存成為進(jìn)程創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的 PCB 對(duì)象的時(shí)候，PCB 對(duì)象中就維護(hù)了一個(gè)叫做 cwd 的屬性，該屬性就表示進(jìn)程當(dāng)前的工作路徑。

如果 fopen 函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)只傳遞了文件名，最終在打開(kāi)文件的時(shí)候，操作系統(tǒng)會(huì)去 cwd 指向的工作路徑下查找該文件。

第二個(gè)參數(shù) mode，這個(gè)參數(shù)有很多可選項(xiàng)，今天只介紹個(gè)別選項(xiàng)，關(guān)于所有選項(xiàng)的詳細(xì)介紹請(qǐng)看我之前的文章【C語(yǔ)言進(jìn)階】文件操作。

• w選項(xiàng)：只要是以 w 選項(xiàng)打開(kāi)的文件，在寫入之前都會(huì)對(duì)文件做清空處理，然后從頭開(kāi)始寫入。

• a選項(xiàng)：在文件結(jié)尾進(jìn)行追加寫。

小Tips：我們之前介紹的重定向，> 本質(zhì)上就對(duì)應(yīng)使用的是 w 選項(xiàng)，>> 本質(zhì)上就對(duì)應(yīng)使用的是 a 選項(xiàng)。

2.2 文件的讀取寫入操作

和文件讀取寫入的相關(guān)接口，以及使用方法，今天也不過(guò)多介紹，詳細(xì)介紹請(qǐng)看我之前寫的文章【C語(yǔ)言進(jìn)階】文件操作。今天只想通過(guò) fwrite 接口跟大家明確一件事情。

// fwrite 接口聲明
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

int main()
{
    FILE *fp = fopen("log.txt", "w");
    if (fp == NULL)
    {
        // 打開(kāi)失敗
        perror("fopen");
        return errno;
    }
    // 打開(kāi)成功，對(duì)文件進(jìn)行相關(guān)的操作
    // ...
    char* str = "Hello Linux!";
    fwrite(str, strlen(str), 1, fp);
    // 操作結(jié)束，關(guān)閉文件
    fclose(fp);
    return 0;
}

fwrite 接口的第二個(gè)參數(shù) size 表示每一個(gè)要寫入的對(duì)象的大小。在向文件寫入字符串的時(shí)候，該參數(shù)是字符串的長(zhǎng)度還是字符串的長(zhǎng)度加一呢？因?yàn)?strlen 計(jì)算出來(lái)的字符串長(zhǎng)度是不包含結(jié)尾的 \0，加一的小伙伴覺(jué)得要把 \0 也寫到文件里面，但是 \0 真的需要寫入文件嘛？其實(shí) \0 并不需要寫入文件中，因?yàn)樽址?\0 結(jié)尾只是 C 語(yǔ)言這么規(guī)定的，我們把一個(gè)字符串寫入文件后，可能通過(guò)其它的語(yǔ)言去讀取該文件，我們并不希望讀到與該字符串無(wú)關(guān)的內(nèi)容 \0。下面是加一的結(jié)果：

\0 也是字符，只不過(guò)不可顯，在被寫入到文件后，vim 編輯器會(huì)把它識(shí)別成 ^@，對(duì) Hello Linux 來(lái)說(shuō)，^@ 就是多余的無(wú)用字符。我們不希望它在文件中出現(xiàn)。

2.3 三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流

C程序在啟動(dòng)時(shí)候，默認(rèn)會(huì)打開(kāi)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流文件：

• stdin：標(biāo)準(zhǔn)輸入流——鍵盤文件

• stdout：標(biāo)準(zhǔn)輸出流——顯示器文件

• stderr：標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤流——顯示器文件

三、文件有關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用

文件最初是在磁盤上的，磁盤是外部設(shè)備，訪問(wèn)磁盤文件其實(shí)是訪問(wèn)硬件，在計(jì)算機(jī)層狀結(jié)構(gòu)中，硬件是處于最底層的，操作系統(tǒng)幫我們把這些硬件管理起來(lái)，并且操作系統(tǒng)是不相信用戶的，因此操作系統(tǒng)不允許我們直接去訪問(wèn)硬件，而是給我們提供了系統(tǒng)調(diào)用接口，幾乎所有的庫(kù)只要是訪問(wèn)硬件設(shè)備，必定要封裝系統(tǒng)調(diào)用。也就是說(shuō)我們平時(shí)在C語(yǔ)言里面使用的 fopen、printf、fprintf、fscanf等函數(shù)都一定是封裝了系統(tǒng)調(diào)用。

3.1 open

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

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

• 第一參數(shù) pathname：表示要打開(kāi)或創(chuàng)建的目標(biāo)文件

• 第二個(gè)參數(shù) flags：標(biāo)志位選項(xiàng)。O_RDPPNLY：只讀打開(kāi)；O_WRONLY：只寫打開(kāi)；O_RDWR：讀，寫打開(kāi)。這三個(gè)常量，必須指定一個(gè)且只能指定一個(gè)。O_CREAT：若文件不存在，則創(chuàng)建它。需要使用 mode 參數(shù)，來(lái)指明新文件的訪問(wèn)權(quán)限。O_APPEND：追加寫；O_TRUNC：文件打開(kāi)的時(shí)候先清空。

• 第三個(gè)參數(shù) mode：新創(chuàng)建文件的默認(rèn)權(quán)限，要考慮權(quán)限掩碼，可以配合 umask 系統(tǒng)調(diào)用接口來(lái)設(shè)置自己想要的效果。umask 系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生的效果就只對(duì)當(dāng)前進(jìn)程創(chuàng)建的文件有關(guān)。

• 返回值：成功，返回新打開(kāi)的文件描述符，關(guān)于文件描述符是什么，將在后文為大家介紹；失敗，返回-1。

小Tips：open 函數(shù)具體使用哪個(gè)，和具體的應(yīng)用場(chǎng)景有關(guān)，如目標(biāo)文件不存在，需要 open 創(chuàng)建，則第三個(gè)參數(shù)表示創(chuàng)建文件的默認(rèn)權(quán)限。如果不需要?jiǎng)?chuàng)建新文件，使用兩個(gè)參數(shù)的 open。

3.1.1 比特位級(jí)別的標(biāo)志位傳遞方式

#define ONE (1<<0) // 1
#define TWO (1<<1) // 2
#define FOU (1<<2) // 4
#define EIG (1<<3) // 8

void show(int flags)
{
    if(flags & ONE) printf("function1\n");
    if(flags & TWO) printf("function2\n");
    if(flags & FOU) printf("function3\n");
    if(flags & EIG) printf("function4\n");

    return;
}

int main()
{
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE);
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE | TWO);
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE | TWO | FOU );
    printf("--------------------------------------\n");
    show(ONE | TWO | FOU | EIG);
    printf("--------------------------------------\n");
    return 0;
}

小Tips：這種比特位級(jí)別的標(biāo)志位傳遞方式，使用戶可以在函數(shù)調(diào)用的時(shí)候采用按位或的方式傳遞多個(gè)選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)不同的功能。open 函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)就是采用這種方式就是這樣。

3.2 write

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

• 第一個(gè)參數(shù) fd：表示待寫入文件的文件描述符。

• 第二個(gè)參數(shù) buf：指向待寫入的文件內(nèi)容。

• 第三個(gè)參數(shù) count：待寫入內(nèi)容的大小，單位是字節(jié)。

• 返回值：實(shí)際上寫入的字節(jié)數(shù)。

3.2.1 模擬實(shí)現(xiàn) w 選項(xiàng)

int main()
{
    umask(0); // 將權(quán)限掩碼設(shè)置成全0
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); // 以讀的方式打開(kāi)，若文件不存在就創(chuàng)建，打開(kāi)文件時(shí)清空
    if(fd < 0)
    {
        printf("open file\n");
        return errno;
    }

    const char* str = "aaa";
    ssize_t ret = write(fd, str, strlen(str));

    close(fd);

    return 0;
}

3.2.2 模擬實(shí)現(xiàn) a 選項(xiàng)

int main()
{
    umask(0); // 將權(quán)限掩碼設(shè)置成全0
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 以讀的方式打開(kāi)，若文件不存在就創(chuàng)建，以追加的方式進(jìn)行寫入
    if(fd < 0)
    {
        printf("open file\n");
        return errno;
    }

    const char* str = "aaa";
    ssize_t ret = write(fd, str, strlen(str));

    close(fd);

    return 0;
}

3.3 read

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

• 第一個(gè)參數(shù) fd：要讀取文件的文件描述符。

• 第二個(gè)參數(shù) buf：指向一段空間，該空間用來(lái)存儲(chǔ)讀取到的內(nèi)容。

• 第三個(gè)參數(shù) count：參數(shù)二指向空間的大小。

四、訪問(wèn)文件的本質(zhì)

總結(jié)：一個(gè)被打開(kāi)的文件，加載到內(nèi)存，會(huì)為該文件創(chuàng)建一個(gè) struct file 結(jié)構(gòu)體對(duì)象，操作系統(tǒng)對(duì)文件的管理本質(zhì)上就是對(duì) struct file 結(jié)構(gòu)體對(duì)象的管理，操作系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前所有被打開(kāi)文件的 struct file 對(duì)象以雙鏈表的形式組織起來(lái)。進(jìn)程的 PCB 對(duì)象中有一個(gè) struct files_struct 類型的指針，指向該類型的一個(gè)對(duì)象，該類型對(duì)象里面記錄了當(dāng)前進(jìn)程所打開(kāi)的所有文件新信息，其中中維護(hù)了一個(gè) struct file* 類型的數(shù)組，數(shù)組的內(nèi)容就指向了當(dāng)前進(jìn)程所打開(kāi)的文件結(jié)構(gòu)體對(duì)象，簡(jiǎn)言之就是指向了當(dāng)前進(jìn)程打開(kāi)的文件。我們將這個(gè)數(shù)組就叫做文件描述符表，數(shù)組的下標(biāo)就叫做文件描述符（因此文件描述符一定大于0）。open 函數(shù)的返回值其實(shí)就是文件描述符，即只要當(dāng)前進(jìn)程打開(kāi)一個(gè)新文件，操作系統(tǒng)就會(huì)按照從前往后的順序從該進(jìn)程的文件描述符表中分配一個(gè)數(shù)組下標(biāo)，該下標(biāo)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間中存儲(chǔ)的就是該文件結(jié)構(gòu)的地址。此后要對(duì)該文件進(jìn)行任何操作，只需要知道它對(duì)應(yīng)的數(shù)組下標(biāo)即可。

int main()
{
    umask(0); // 將權(quán)限掩碼設(shè)置成全0
    int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 以讀的方式打開(kāi)，若文件不存在就創(chuàng)建，以追加的方式進(jìn)行寫入
    int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd3 = open("log3.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd4 = open("log4.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    printf("fd1: %d\n", fd1);
    printf("fd2: %d\n", fd2);
    printf("fd3: %d\n", fd3);
    printf("fd4: %d\n", fd4);

    return 0;
}

小Tips：通過(guò)結(jié)果可以看出，進(jìn)程新打開(kāi)的文件，其下標(biāo)只能從3，開(kāi)始，這是因?yàn)?C 程序在運(yùn)行起來(lái)的時(shí)候操作系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)幫我們打開(kāi)三個(gè)流，標(biāo)準(zhǔn)輸入流 stdin 對(duì)應(yīng)鍵盤文件，下標(biāo)為0；標(biāo)準(zhǔn)輸出流 stdout 對(duì)應(yīng)顯示器文件，下標(biāo)為1；標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤流 stderr 對(duì)應(yīng)顯示器文件，下標(biāo)為2。從這里可以的出一個(gè)結(jié)論，默認(rèn)打開(kāi)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流并不是 C 語(yǔ)言的特性，而是操作系統(tǒng)的特性，所有語(yǔ)言編寫的程序運(yùn)行起來(lái)后都會(huì)打開(kāi)。操作系統(tǒng)為什么要幫我們打開(kāi)呢？因?yàn)殡娔X在開(kāi)機(jī)的時(shí)候，鍵盤和顯示器就已經(jīng)被打開(kāi)了，我們?cè)诰幊痰臅r(shí)候，一般都會(huì)用鍵盤輸入和通過(guò)顯示器查看結(jié)果。

文件描述符對(duì)應(yīng)的分配規(guī)則：從0下標(biāo)開(kāi)始，尋找最小的沒(méi)有使用的數(shù)組位置，它的下標(biāo)就是新打開(kāi)文件的文件描述符。

4.1 再來(lái)認(rèn)識(shí) FILE

FILE 是 C 語(yǔ)言庫(kù)中自己封裝的一個(gè)結(jié)構(gòu)體，在 C 語(yǔ)言中，通過(guò) FILE 對(duì)象去描述文件?？梢源_定，F(xiàn)ILE 中一定封裝了文件描述符。如下面代碼，FILE 中的 _fileno 屬性就是文件描述符。

int main()
{
    printf("stdin->fd: %d\n", stdin->_fileno); // 標(biāo)準(zhǔn)輸入
    printf("stdout->fd: %d\n", stdout->_fileno); //標(biāo)準(zhǔn)輸出
    printf("stderr->fd: %d\n", stderr->_fileno); // 標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤
    return 0;
}

4.2 再來(lái)理解關(guān)閉文件

一個(gè)文件可以被多個(gè)進(jìn)程同時(shí)打開(kāi)，最常見(jiàn)的比如鍵盤文件，顯示器文件。在 struct file 對(duì)象中有一個(gè) f_count 字段，叫做當(dāng)前文件的引用計(jì)數(shù)，記錄了當(dāng)前文件被多少個(gè)進(jìn)程打開(kāi)了，在進(jìn)程視角關(guān)閉文件就是調(diào)用 close 系統(tǒng)調(diào)用，將對(duì)應(yīng)下標(biāo)里面的內(nèi)容置為 NULL，這是進(jìn)程系統(tǒng)需要執(zhí)行的工作。置空后操作系統(tǒng)會(huì)把該文件描述對(duì)應(yīng)文件結(jié)構(gòu)體對(duì)象中的 f_count 字段減減，然后判斷 f_count 是否為0，如果不為0就什么也不干，如果為0，操作系統(tǒng)才將對(duì)應(yīng)的 struct file 對(duì)象回收，這是文件系統(tǒng)執(zhí)行的工作。從這兒可以看出，文件描述符表的存在，將進(jìn)程系統(tǒng)和文件系統(tǒng)進(jìn)行了完美的解藕。這不禁讓我想起了前面的虛擬地址（進(jìn)程地址空間）和頁(yè)表的存在將進(jìn)程系統(tǒng)和內(nèi)存系統(tǒng)進(jìn)行解藕。Linux 操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)真的讓人拍案叫絕！

int main()
{
    close(1); // 將 stdout 關(guān)閉
    int ret = printf("stdin->fd: %d\n", stdin->_fileno);
    printf("stdout->fd: %d\n", stdout->_fileno);
    printf("stderr->fd: %d\n", stderr->_fileno);

    fprintf(stderr, "printf ret: %d\n", ret);
    return 0;
}

代碼分析：close(1) 表示將標(biāo)準(zhǔn)輸出關(guān)閉，1下標(biāo)指向顯示器文件，printf 就是向標(biāo)準(zhǔn)輸出中進(jìn)行寫入，關(guān)閉后，三條 printf 函數(shù)都沒(méi)有將內(nèi)容成功打印到顯示器上。根據(jù)上面的分析，雖然把標(biāo)準(zhǔn)輸出關(guān)了，但是標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤也指向顯示器，所以在調(diào)用 fprintf 向標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤中寫入時(shí)，我們可以在顯示器上看到打印結(jié)果。其次，printf 執(zhí)行成功，返回值表示寫入的字符個(gè)數(shù)，可以看出雖然我們通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用直接把標(biāo)準(zhǔn)輸出給關(guān)了，但是 printf 還是認(rèn)為它寫入成功。

五、結(jié)語(yǔ)

今天的分享到這里就結(jié)束啦！如果覺(jué)得文章還不錯(cuò)的話，可以三連支持一下，春人的主頁(yè)還有很多有趣的文章，歡迎小伙伴們前去點(diǎn)評(píng)，您的支持就是春人前進(jìn)的動(dòng)力！

文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-830473.html

到了這里，關(guān)于【Linux取經(jīng)路】文件系統(tǒng)之被打開(kāi)的文件——文件描述符的引入的文章就介紹完了。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)！