Linux：文件描述符fd、系統調用open

一、文件基礎認識

二、C語言操作文件的接口

1.> 和 >>

2.理解“當前路徑”

三、相關系統調用

1.open

2.文件描述符

3.一切皆文件

4.再次理解重定向

一、文件基礎認識

文件 = 內容 + 屬性。換句話說，如果在電腦上新建了一個空白文檔，它雖然沒有內容，但也是占據磁盤空間的。
想要修改一個文件的內容，比如用WPS這樣的軟件操作文件內容，本質上都需要CPU完成相關的指令，而CPU又只與內存交互，所以，打開文件的含義其實就是把文件加載到內存中。
在我們眼里，我們雙擊了一個文件就是打開了文件，但是在操作系統看來，并不是我們打開了文件，而是某一個正在運行的進程，文件是由進程打開的。
一個進程可以打開多個文件。
操作系統管理多個被打開文件，必然也會像操作系統管理多個進程一樣，利用面向對象和數據結構，因此，內核中必然定義了結構體來描述被打開的文件。
從操作系統管理文件的角度看，文件被區分為被打開的文件（在內存中）和沒有打開的文件（在磁盤中）。

二、C語言操作文件的接口

? ? ? ? fopen以"w"方法打開一個文件。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{FILE* pf = fopen("aaa.txt","w");if(pf == NULL){perror("fopen:");return 1;}const char* str = "aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa\n";fputs(str,pf);fclose(pf);return 0;
}

utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ ./a.out 
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ cat aaa.txt 
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$

? ? ? ? 結果顯示，文件aaa.txt中已經寫入了一段字符串。修改源代碼，將寫入字符串的代碼刪除后，再執行編譯運行一次。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{FILE* pf = fopen("aaa.txt","w");if(pf == NULL){perror("fopen:");return 1;}
//	const char* str = "aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa\n";
//	fputs(str,pf);fclose(pf);return 0;
}

utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ cat aaa.txt 
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ gcc file.c 
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ ./a.out 
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ cat aaa.txt 
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$

? ? ? ? 結果表明，aaa.txt文件中的內容都消失了。原因在于fopen打開文件的方式"w"，使用man手冊查看fopen打開文件方式的說明。

? ? ? ? "w"方式打開文件時，會先清空文件中的所有內容。如果想保留文件中原來的內容做寫入操作，就應該使用"a"的方式打開文件。

1.> 和 >>

utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ cat aaa.txt
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ echo aaaaaaaaaaaa > aaa.txt 
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ cat aaa.txt
aaaaaaaaaaaa
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ echo bbbbbbbbb > aaa.txt 
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ cat aaa.txt
bbbbbbbbb
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$

? ? ? ? 通過echo做重定向操作向aaa.txt文件中先后寫入兩次，最終效果并不是有兩段字符串，說明重定向操作符">"打開文件的方式本質上也是"w"的方式。（需要一提的是，echo重定向到文件中，本質上也要修改文件的內容，所以一定會打開文件）。

utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ echo aaaaaaaaaaaaaaaa >> aaa.txt 
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ cat aaa.txt 
aaaaaaaaaaaaaaaa
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ echo bbbbbbbbbbbbbbbb >> aaa.txt 
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$ cat aaa.txt 
aaaaaaaaaaaaaaaa
bbbbbbbbbbbbbbbb
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241121$

? ? ? ? 而追加重定向操作符" >> "先后向aaa.txt文件寫入兩次后，最終效果是兩段字符串都被保留了下來，說明 " >> "其實和"a"方式類似，是一種追加的形式。

2.理解“當前路徑”

? ? ? ? 在使用C接口操作文件的時候，經常會聽到說，“如果沒有這個文件，則在當前路徑下新建這個文件”，如何理解這個“當前路徑”？

? ? ? ? 最簡單直接的理解，就是我們當前程序的路徑。

//file.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{FILE* pf = fopen("aaa.txt","w");if(pf == NULL){perror("fopen:");return 1;}fclose(pf);return 0;
}

? ? ? ? 當前路徑就是file.c文件所在路徑，編譯運行前，該路徑下沒有aaa.txt文件，編譯運行后，該路徑下存在名為aaa.txt的文件。

utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241122$ ll
總計 16
drwxrwxr-x  2 utocoo utocoo 4096 11月 22 12:22 ./
drwxrwxr-x 16 utocoo utocoo 4096 11月 22 12:19 ../
-rw-rw-r--  1 utocoo utocoo  233 11月 22 12:19 file.c
-rw-rw-r--  1 utocoo utocoo   64 11月 22 12:21 Makefile
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241122$ make
gcc -o file file.c
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241122$ ./file 
utocoo@utocoo-virtual-machine:~/Desktop/linux/241122$ ll
總計 32
drwxrwxr-x  2 utocoo utocoo  4096 11月 22 12:23 ./
drwxrwxr-x 16 utocoo utocoo  4096 11月 22 12:19 ../
-rw-rw-r--  1 utocoo utocoo     0 11月 22 12:23 aaa.txt
-rwxrwxr-x  1 utocoo utocoo 16048 11月 22 12:23 file*
-rw-rw-r--  1 utocoo utocoo   233 11月 22 12:19 file.c
-rw-rw-r--  1 utocoo utocoo    64 11月 22 12:21 Makefile

? ? ? ? ?在文件基礎認識部分，已經提到過，文件是由進程打開的，那么新建一個文件也是由進程完成，進程是如何知道在哪條路徑下新建一個文件呢。

? ? ? ? 在源代碼中打印出進程的PID，運行后，再在/proc路徑下找到對應進程的所在目錄。

while(1)
{printf("PID:%d\n",getpid());sleep(2);
}

PID:2930
PID:2930
PID:2930
PID:2930
PID:2930
PID:2930
PID:2930

? ? ? ? 當前路徑在進程的屬性中其實已經保存好了，是cwd這條信息。因此新建一個文件要被存放到哪里也是確定的。但是進程的工作路徑是可以修改的，雖然進程的前身是一個可執行程序，可執行程序的路徑是確定，但是當可執行程序被操作系統管理起來后變成進程，進程的工作路徑是可以通過chdir指令修改的，那么修改路徑后，再新建一個文件，這個文件的所在路徑不再是修改前的路徑了，而是修改后的路徑。

? ? ? ? 這就表明，所謂的當前路徑，其實是進程在運行的時候的工作路徑，這個路徑是由進程自己記錄的，就是那條cwd信息。

三、相關系統調用

? ? ? ? 系統默認打開三個流，stdin，stdout，stderr，這三個流對應的外設分別為鍵盤、顯示器、顯示器。而Linux管理外設，是以文件的方式，即必然存在系統調用system call。因此，C語言的fopen、fclose、fwrite等函數本質是調用了system call。

? ? ? ? 下面就來認識Linux下文件相關的system call。

1.open

pathname就是路徑，傳參方法和C語言的fopen的參數差不多。
flags類型為int，傳參的可選項如下所示

? ? ? ? 這些值都是C語言定義的宏，目的是為了實現，只定義一個函數，卻可以同時“傳兩個參數”。比如

#include <stdio.h>
#define ONE 1
#define TWO (1<<1)
#define THREE (1<<2)
#define FOUR (1<<3)
#define FIVE (1<<4)void Print(int flags)
{if(flags & ONE)printf("1\n");if(flags & TWO)printf("2\n");if(flags & THREE)printf("3\n");if(flags & FOUR)printf("4\n");if(flags & FIVE)printf("5\n");
}
int main()
{Print(ONE);printf("-----------------\n");Print(TWO);printf("-----------------\n");Print(ONE|TWO);printf("-----------------\n");Print(ONE|FOUR|FIVE);return 0;
}

? ? ? ? 如果使用兩個形參的open接口，一般是操作已經存在了的文件，比如bbb.txt文件必須存在，否則會報錯。

int main()
{int fd = open("bbb.txt",O_WRONLY);if(fd == -1){perror("open\n");return 1;}close(fd);return 0;
}

? ? ? ? ?用open接口實現fopen的"w"方式，文件如果不存在，則新建。而新建一個文件會有權限的初始化，一般普通用戶新建一個文件的權限是0666（-rw-rw-rw-），而普通用戶的權限掩碼umask為0002，實際權限等于初始化權限減去權限掩碼，即（-rw-rw-r--）

? ? ? ? mode即初始化權限碼，一般傳0666，只有flags帶O_CREAT時，mode傳參才有效。

? ? ? ? 一般新建一個文件，在open的第二個參數上，應該傳新建、可寫、寫入時清零，等同于fopen的"w"方式。

int main()
{int fd = open("bbb.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);if(fd == -1){perror("open\n");return 1;}const char* msg = "this is open to w\n";write(fd,msg,strlen(msg));close(fd);return 0;
}

? ? ? ? 原來不存在的文件bbb.txt被創建了出來，并且o的權限少了w，符合預期。

2.文件描述符

????????再來理解open的返回值——文件描述符（int fd）——Linux用整型值描述被打開的文件。

? ? ? ? 這些整型值其實是數組下標，我們知道系統默認打開三個流，其實是三個文件，stdin、stdout、stderr，它們的下標對應為0、1、2，如果先后有序的打開1.txt、2.txt、3.txt，則它們的下標也是有序的為3、4、5。

? ? ? ? 這段話似乎讓你很懵，不過我馬上就要闡述具體的內容。

? ? ? ? 在此之前，要明確，操作文件只能由操作系統來做，因此有C語言的fopen封裝open接口，有C語言定義的FILE指針的流封裝文件描述符fd。

? ? ? ? 實際上，FILE類型是結構體類型，也是封裝了文件描述符int fd。

? ? ? ? ?對int fd的理解。

? ? ? ? 文件描述符的本質，就是數組下標。

OS管理進程，這一板塊叫做進程管理，有PCB，Linux下被定義為task_struct。
OS管理文件，這一板塊叫做文件管理，在之前介紹了，文件區分為內存中的文件和磁盤中的文件，被加載到內存中的文件，OS要對它們做管理，就必然做“面向對象”和“數據結構”的工作，“面向對象”就是定義結構體，“數據結構”就是把對象存儲到鏈表或者其他數據結構里面。Linux下把這個結構體類型定義為file，結構體內容大致有屬性、方法集、緩沖區、mode（權限碼）、flag、pos以及指向下一個結點的next等。
進程管理和文件管理是兩個獨立的板塊，但是又有關聯。進程可以打開多個文件，那么一個進程打開了哪些文件，該進程必然要做記錄。于是Linux下，task_struct結構體中有一個結構體指針，指向的結構體類型為files_struct，而這個結構體中，有一個數組，數組的每個元素類型為結構體指針，指針指向的結構體類型為file，這個數組被稱為文件描述符表。

? ? ? ? 一個進程打開文件后，進程在這個數組中保存指向這個文件的指針，默認這個數組的前三個位置已經被stdin、stdout、stderr這三個文件占用了。?

? ? ? ? 而數組下標，就是文件描述符，為什么close、write等這些接口都用int類型的文件描述符來操作文件，原因很簡單，數組下標式訪問，僅僅是O(1)復雜度。

3.一切皆文件

? ? ? ? 硬件一層，由于各種原因，設備的操作方法各不相同，因此每臺計算機都需要裝載相應的驅動。而對于每臺設備的操作函數，它們的函數類型相同，函數內容各不相同。

? ? ? ? file結構體定義了方法集，本質就是函數指針。

每一臺設備被視為一個結構體，方法集指向了該設備的操作方法。
當系統調用read讀取某個外設的內容，實際上就是函數回調的形式，用函數指針調用外設的讀函數。

4.再次理解重定向

? ? ? ? 文件描述符的分配規則：一定會把最小的數組下標利用起來，如果存在沒有被利用的較小下標，則會分配給最新打開的文件，比如打開b文件前，將已經打開的a文件關閉，則打開b文件后，a文件的較小fd會分配給b文件。

? ? ? ? 上面這段話，其實就是重定向的實現原理。

? ? ? ? 輸出重定向：本該輸出到屏幕的語句卻輸出到了bbb.txt。?

int main()
{close(1);int fd = open("bbb.txt",O_WRONLY);printf("這段話本該輸出到屏幕\n");return 0;
}

? ? ? ? 原因就是在執行完close(1)語句后，當前進程的文件描述符表中數組下標為1的位置不再是指向屏幕文件的指針，而又打開了bbb.txt文件，則1號下標的指針指向了bbb.txt文件，printf底層封裝的write傳參的fd值還是1，因此，這句字符串被寫進了1位置指向的bbb.txt文件的緩沖區。

? ? ? ? 所以，重定向的本質，就是文件指針在文件描述符表中的位置發生了變化，文件描述符表是一個數組，即數組下標發生了改變，比如原來4號下標指向A.txt文件，通過重定向讓1號下標指向了A.txt，這樣一來，上層向顯示器打印的內容其實都被輸出到了A.txt。

?????????有一個專門用來拷貝文件描述符的系統調用——dup

? ? ? ? ?想把打印到屏幕的內容重定向到bbb.txt，可以用dup2來實現。

? ? ? ? 大致意思是用oldfd的值覆蓋到newfd。

int main()
{int fd = open("bbb.txt",O_WRONLY);dup2(fd,1);printf("----\n");return 0;
}