linux: 文件描述符fd

操作系统要管理打开的文件，通过先描述再组织的方式管理

西兰花也是花

1210人浏览 · 2025-04-13 18:11:05

西兰花也是花 · 2025-04-13 18:11:05 发布

1.C语言文件操作复习

文件 = 内容 + 属性。所有对文件的操作有两部分：a.对内容的操作；b.对属性的操作。

内容是数据，属性其实也是数据-存储文件，必须既存储内容，又存储属性数据-默认就是在磁盘中的文件！

进程要访问一个文件的时候，都是要先把这个文件先打开的，打开前，文件在磁盘中，打开后文件被操作系统从磁盘加载到内存。

一个进程可以打开多个文件，多个进程可以打开多个文件。加载到内存中，被打开的文件，可能会存在多个！操作系统要管理打开的文件，通过先描述再组织的方式管理。一个文件要被打开，一定要先在内核中形成被打开的文件对象，提供相应的文件操作的系统调用接口。

常见的c语言文件接口:

FILE *fp = fopen("log.txt", "w");
if(!fp){
    printf("fopen error!\n");
}

"w" 以写方式打开，如果文件不存在就创建, 会先清空文件内容。命令行 echo "要写入的内容" > 文件名 重定向也是先清空文件再写入，与C语言中 "w" 方式相同。

FILE *fp = fopen("log.txt", "a");
if(!fp){
    printf("fopen error!\n");
}

"a" 方式打开文件，是从文件末尾的方式开始写入，不会先清空文件内容。命令行echo "要写入的内容" >> 文件名 追加重定向也是先清空文件再写入，与C语言中 "a" 方式相同。

2.底层的系统调用接口

我们学习的C语言打开文件的接口，底层一定封装了系统调用接口。

系统接口：命令行输入 man 2 open

返回值：

成功返回文件描述符，失败返回-1，errno已经被写好。

参数：

pathname是打开文件的路径。flags是打开文件的方式，mode是文件的权限设置。

flags是如何通过传入一个整形来确定打开文件的方式的呢？这里使用了位图思想，一个比特位代表一种方式。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。

flags常用参数选项

O_RDONLY: 只读打开。

O_WRONLY: 只写打开。

O_RDWR : 读，写打开。上面这三个常量，必须指定一个且只能指定一个

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

O_TRUNC：截断方式，即打开文件先清空。

O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC "w" 方式

O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND "a" 方式

O_RDONLY "r" 方式

int main()
{
    umask(0);
    int fd = open("myfile", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);//"w"方式，0666 八进制权限吗 会与权限掩码的反码异或
    if(fd < 0){
        perror("open");
        return 1;
    }
    int count = 5;
    const char *msg = "hello bit!\n";
    int len = strlen(msg);
    while(count--){
    write(fd, msg, len);//msg：缓冲区首地址， len: 本次读取，期望写入多少个字节的数
据。 返回值：实际写了多少字节数据
    }
    close(fd);
    return 0;
}

底层通过文件描述符fd来操作文件，那C语言是通过FILE*来确定操作的文件，C语言通过FILE结构体来描述一个文件，FILE中一定必定封装了文件描述符fd。

证明：

int main()                                                                                                                                                   
{      
    //默认打开三个流文件， 就是为了让程序员默认进行输入输出代码编写      
    printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);      
    printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);      
    printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);      
      
    FILE* fp = fopen("log.txt","w");      
    printf("fp->fd:%d\n",fp->_fileno);      
          
    fclose(fp);      
    return 0;      
}

文件描述符就是从0开始的小整数。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。而进程执行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！所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件

3.文件描述符的分配规则

我们执行下面代码

int main()
{
    //umask(0);//系统调用，修改权限掩码,  系统是002

    //默认open 不会清空文件，要加 O_TRUNC 截断
    //int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);//"w" 第二个参数是比特位方式传参,第三个参数权限
    int fda = open("loga.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND ,0666);//"a"
    int fdb = open("logb.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND ,0666);//"a"
    int fdc = open("logc.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND ,0666);//"a"
    int fdd = open("logd.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND ,0666);//"a"
    //if(fd < 0)
    //{
    //    perror("open");
    //    return 1;
    //}
    printf("fda = %d\n",fda);
    printf("fdb = %d\n",fdb);
    printf("fdc = %d\n",fdc);    
    printf("fdd = %d\n",fdd);    
    
    //操作文件    
    //const char* msg = "aaaaa\n";    
    //write(fd,msg,strlen(msg));//+1传入 '\0'                                                                                                                
    //当我们向文件中写入C语言字符串时，不用strlen()+1,因为'\0'是C语言规定的，不是文件系统规定的

    close(fda);
    int fde = open("logc.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND ,0666);//"a"
    printf("fde = %d\n",fde);
    close(fdb);
    close(fdc);
    close(fdd);
    close(fde);

    return 0;
}

输出结果

规则：

进程默认已经打开了0,1,2，我们可以直接使用0，1，2进行数据的访问！

文件描述符的分配规则是，寻找最小的，没有被使用的数据的位置，分配给指定的打开文件！我们关闭较小的文件描述符时，再创建文件会使用这个较小的文件描述符。

4.重定向

执行下面代码：

int main()
{
    close(1);//关闭stdout
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);
    if(fd < 0){
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
    fflush(stdout);//1
    close(fd);
    return 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 log.txt 当中，其中，fd＝1。这种现象叫做输出重定向。命令行中常见的重定向有: >输入重定向, >>追加重定向, < 输出重定向

重定向的本质:

本质：

凡往文件描述符为1写入的的内容，都写到了log.txt。因为printf默认往fd =1的文件中写入。stdout的文件描述符默认是1。

实现重定向的系统调用

dup 的作用是复制一个已有的文件描述符，返回一个新的、指向同一内核文件表项的描述符。新描述符的编号是当前进程中最小的未使用编号。

dup2可以实现文件描述符表级别的数组内容的拷贝，newfd之前指向的文件引用计数会减一，当减到0时会close改文件，这样会使 oldfd 与 newfd 同时指向 oldfd 所指的文件。

int main()    
{    
    int fd = open("log.txt",O_CREAT | O_WRONLY |O_APPEND,0666);//追加方式    
    if(fd<0)                                                                                                                                                 
    {    
        perror("open");    
        return 1;    
    }    
    
    dup2(fd,1);//输出重定向，会取消fd对log.txt的指向，引用计数-1，fd=1指向log.txt;    
    printf("fd :%d\n",fd); //fd还是原来的fd = 3 ，不过已经被OS关闭,原来的stdout被关闭，因为引用计数为0    
    printf("hello printf\n");    
    fprintf(stdout,"hello fprintf\n");//都会输出到log.txt

    close(fd);    
    return 0;    
}

标准错误stderr的作用：

我们使用 printf 默认是将输出内容打印到fd=1中，而 perror 打印错误信息是默认打印到 fd=2中，我们如果不进行重定向，他们会都打印到屏幕上。如果我们想要将标准输出和错误输出分开，只要分别将他们重定向就可以将他们打印到不同的文件中，在之后打印日志的时候我们会用到。

进程程序替换与重定向：

程序替换，不会影响曾经的重定向。因为程序替换不改变进程，文件是由进程打开的，不影响内核数据结构，只是替换内存中代码和数据。

本篇结束！