一些前置知識：

文件 = 屬性 + 內容

文件 分為 打開的文件、未打開的文件

打開的文件：由進程打開，本質是 進程與文件 的關系；維護的文件對象先加載文件屬性，文件內容一般按需加載

未打開的文件：在永久性存儲介質 —— 磁盤上；也需要被管理

C語言文件接口

fopen

打開文件并指定打開方式，返回 FILE* 文件對象指針

r：只讀

w：寫入、但在寫入之前會清空文件；? > 重定向也是使用 w 方法寫入文件

a：追加，在文件結尾寫入； >> 追加方法

fwrite

向已打開的 FILE 文件對象寫入 size 字節的內容

stdin、stdout、stderr

C程序默認啟動時，會打開 3 個標準輸入輸出流，分別是 鍵盤文件 和 2 個顯示器文件

fprintf

向指定文件對象 中寫入

文件相關系統調用接口

未打開的文件存儲在 磁盤上，磁盤是 外設，訪問磁盤上的文件 —— 相當于在 訪問硬件；

幾乎所有的庫，只要是 訪問硬件設備相關，必定封裝了系統調用

因為 操作系統 通過 硬件驅動 管理硬件，并向上層提供 系統調用接口；

open

參數解讀：

pathname：文件路徑

int flags：系統提供了設置好的多個 宏 標志位，可以 通過 位或運算 進行組合，以實現不同的 文件打開方法（bit 位級別的 標志位傳遞方式、有點類似位圖了）

mode：以 8 進制的方式 設置被打開文件的權限，但還要經過 umask 權限掩碼的計算（ 最終權限 = 起始權限 & (~umask) ）

返回值：一個較小的非負整數，文件描述符 file descriptor

int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
if( fd < 0 )
{perror("open error");return 1;
}

close

int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
if( fd < 0 )
{perror("open error");return 1;
}close(fd);

write

int fd = open("logggggg.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
int size_write = write(fd, "aaaaaaa", 3);	
close(fd);

默認從文件開始寫，但不會清空原有內容，而是覆蓋

小結

C文件相關庫函數 封裝了系統調用 open、write、close

C庫中使用 自定義類型 FILE?類型的文件對象描述打開的文件，而系統調用中 使用 文件描述符 fd

不論什么語言，底層都是這種 封裝系統調用的 模式，向用戶提供 庫函數，以便二次開發

文件描述符 fd

在 Linux 中，文件描述符 就是一個 小整數

當磁盤文件被加載到內存，內核為該進程創建 PCB，接著創建文件描述符表 struct files_struct，其中有 存放文件對象指針的 指針數組 struct file* fd_array[ ] ，接著打開 3 個默認的標準輸入輸出流 stdin、stdout、stderr，接著創建一個 struct file 自定義數據結構 描述被打開文件的屬性；如果一個進程打開多個文件，那就創建多個文件對象 struct file，用 雙鏈表指針 互相組織起來 —— 對文件的操作就變成了對該文件對象的 增刪改查

通過從進程創建 到 打開文件捋一遍之后，文件描述符 fd 就是 文件描述符表 中 指針數組的 下標。

既然已經有文件描述符表來組織管理 打開的文件對象 struct file，那各個 struct file 還用雙鏈表結構組織是否多此一舉？

非也，考慮了如果進程崩掉了之類的意外情況。

通過 文件描述符表 結構，將 內核中的 進程管理模塊 與 文件管理模塊 解耦。

注意：除了 內核 默認打開的 3 個標準輸入輸出流文件，其余打開文件對象的指針 struct file* 依次按照文件描述符表的 空閑的 元素位置 進行分配。

用 系統調用 操作 fd

例 read：從文件中讀取 count 字節數據

char buff[100];
ssize_t s = read(0, buff, sizeof(buff));
buff[s] = '\0';
printf("echo : %s\n", buff);

從文件描述符為 0 的文件中讀取 sizeof(buff) 大小的數據，并寫入 buff 開始的緩沖區中：

根據運行結果，回車也被寫入，因為此時 bash 內的緩沖區為 行緩沖方式（見后文描述）

小結

為什么默認打開 stdin、stdout、stderr？

因為 操作系統啟動時，鍵盤、顯示器就已經被 操作系統 識別并打開了，在 其他進程被創建時，只需要將這三個 已經被打開的 文件對象struct file 的地址 填進 文件描述符表 中，使用就 ok。

Linux 中的文件相關 系統調用 只認文件描述符，不同于 C 庫中封裝的自定義類型 FILE（但 FILE 中一定封裝了 文件描述符）

stdout 和 stderr 都指向顯示器文件；

一個文件對象 struct file 可以被多個進程使用，例如 3 個默認的 stdin、stdout、stderr 可以被多個進程同時使用；所以 struct file 中會包含一個屬性：引用計數

引用計數：記錄有幾個文件描述符 指向自己；調用 close 會使該文件對象的 引用計數 減 1，并且將 這個進程的 文件描述符表 中的 對應文件描述符下標 的指針數組 的元素 置空，以供其他打開的文件使用； 當被 close 的文件對象的引用計數為 1時，調用 close 會釋放掉這個 文件對象。

重定向

本質：對進程的 文件描述符表 中的地址 進行內核級別的 拷貝。

文件描述符的分配規則：從文件描述符表的 0 下標開始，尋找空閑位置存放 新文件的 文件對象指針。

輸出重定向

示例：將 本來寫入顯示器文件（文件描述符 1）的內容，寫入 文件描述符為 5 的文件

操作系統提供了 系統調用接口，主要介紹 dup2 ：完成 拷貝文件描述符下標對應的 文件對象指針 的工作

int fd = open("fdddddddd.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666 );const char* str = "hello world forever!";//dup2(1, fd);dup2(fd, 1);
write(1, str, strlen(str));

追加重定向

與輸出重定向一樣，只是打開文件時 的 flags 參數，再按位或 O_APPEND，就是向文件中追加內容，而不是 清空掉原文件內容 再寫入

int fd = open("fdddddddd.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666 );const char* str = "hello world forever!";//dup2(1, fd);dup2(fd, 1);
write(1, str, strlen(str));

輸入重定向

示例：本來要從 stdin 中讀取數據，可以使用 dup2 系統調用接口，拷貝 某個文件描述符對應的 文件對象指針，轉為 從 另一個文件中讀取數據

int fd = open("fdddddddd.txt", O_CREAT | O_APPEND | O_RDONLY, 0666 );                                                                                                                                    char buff[100];dup2(fd, 0);
ssize_t s = read(0, buff, sizeof(buff));
buff[s] = '\0';printf("%s", buff);

成功將 fddddddd.txt 重定向到 0 號文件描述符，使得本應從 stdin 讀取數據存入 buff，轉為 從 fdddddd.txt 中讀取數據 存入 buff。

注：如果把 stdout、stdin、stderr 給重定向，覆蓋掉了，有辦法找到這三個文件，再重定向回來即可恢復

為什么 stdout、stderr 都指向顯示器，應用場景：

在分離正常日志與錯誤日志時非常有用：

另外，命令行輸出重定向時，默認被重定向的是 1號 文件描述符 stdout，可以省略不寫。

注：程序替換 exce 接口功能，并不影響進程對 文件的訪問。

小結

硬件設備都可以被進程，以 open 打開訪問，因為 Linux 下一切皆文件：

1、內核為 進程創建 PCB —— task_struct，其中包含指針 指向文件描述符表

2、文件描述符表 這個指針數組中 存放著 struct file* —— 文件對象的指針

3、對于所有外設（鍵盤、顯示器、磁盤等硬件）來說，進程在 打開它們并創建對應的 struct file 時，struct file 中有個自定義類型的指針 指向 struct operation_func

4、struct operation_func 中有相應的 讀、寫 的函數指針，不同外設共用相同的?struct operation_func 結構（一般情況下）；讀、寫和其他方法的 函數指針，指向相應的外設的 具體底層驅動的 函數方法實現，但這些對上層來說，是不用關心的；相同的函數指針 卻指向 不同的方法實現，就像面向對象中的 多態一樣

5、struct operation_func 結構中 有 讀、寫等方法的函數指針，不同外設的 底層驅動的 方法實現，就會用來 初始化這些 函數指針。

對于 C 庫中的?stdin、stdout、stderr：

內核在創建進程時就已經把 0、1、2 這三個描述符指向同一個終端設備；

C 庫只是隨后把這三個描述符包裝成 FILE* 變量（stdin、stdout、stderr），并加了一層緩沖而已。

在 Linux 中，鍵盤輸入、屏幕輸出都被抽象成同一個“終端設備文件”，這個終端設備文件既提供讀接口（用戶敲的字符）又提供寫接口（送到屏幕的文字），因此 0、1、2 三個文件描述符實際上都指向同一個 inode（同一個 struct file），只是分別用于讀、寫、寫。