（20）Linux初始文件描述符

前言：本章我们介绍 O_WRONLY, O_TRUNC, O_APPEND 和 O_RDONLY。之后我们开始讲解文件描述符。

一、系统传递标记位

1、O_WRONLY?

C?语言在 w?模式打开文件时，文件内容是会被清空的，但是 O_WRONLY 好像并非如此？

代码演示：当前我们的 log.txt 内有 5 行数据，现在我们执行下面的代码：

  1 #include <stdio.h>
  2 #include<string.h>
  3 #include <sys/types.h>
  4 #include <sys/stat.h>
  5 #include <fcntl.h>
  6 #include <unistd.h>  // 需引入头文件
  7 int main()
  8 {
  9       umask(0);   // umask现在就为0，听我的，别听操作系统的umask了
 10     int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);  // 八进制表示
 11     if (fd < 0) {
 12         perror("open");
 13         return 1;
 14     }
 15     printf("fd:%d\n",fd);
 16     int cnt=2;                                                                                                                                     
 17     const char* str="666666\n";                                                                                                           
 18     while(cnt--){                                                                                                                         
 19       write(fd,str,strlen(str));                                                                                                          
 20     }                                                                                                                                     
 21                                                                                                                                           
 22     close(fd);//关闭文件                                                                                                                  
 23                                                                                                                                           
 24     return 0;                                                                                                                             
 25 } 

?运行结果：

我们以前在 C 语言中，w 会覆盖把全部数据覆盖，每次执行代码可都是会清空文件内容的。?

而我们的 O_WRONLY 似乎没有全部覆盖，曾经的数据被保留了下来，并没有清空！

其实，没有清空根本就不是读写的问题，而是取决于有没有加 O_TRUNC 选项！

因此，只有?O_WRONLY 和?O_CREAT 选项是不够的：

• 如果想要达到 w 的效果还需要增添 O_TRUNC
• 如果想到达到 a 的效果还需要 O_APPEND

2、 O_TRUNC 截断清空（对标 w）

在我们打开文件时，如果带上 O_TRUNC 选项，那么它将会清空原始文件。

如果文件存在，并且打开是为了写入，O_TRUNC 会将该文件长度缩短 (truncated) 为 0。

也就是所谓的 截断清空 (Truncate Empty) ，我们默认情况下文件系统调用接口不会清空文件的，

但如果你想清空，就需要给 open() 接口 带上 O_TRUNC 选项：

?代码演示：让 open() 达到 fopen 中 "w" 模式的效果

  1 #include <stdio.h>
  2 #include<string.h>
  3 #include <sys/types.h>
  4 #include <sys/stat.h>
  5 #include <fcntl.h>
  6 #include <unistd.h>  // 需引入头文件
  7 int main()
  8 {
  9       umask(0);   // umask现在就为0，听我的，别听操作系统的umask了
 10     int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT|O_TRUNC, 0666);  // 八进制表示                                                                     
 11     if (fd < 0) {                                                                                       
 12         perror("open");                                                                                 
 13         return 1;                                                                                       
 14     }                                                                                                   
 15     printf("fd:%d\n",fd);                                                                               
 16     int cnt=2;                                                                                          
 17     const char* str="666666\n";                                                                         
 18     while(cnt--){                                                                                       
 19       write(fd,str,strlen(str));                                                                        
 20     }                                                                                                   
 21                                                                                                         
 22     close(fd);//关闭文件                                                                                
 23                                                                                                         
 24     return 0;                                                                                           
 25 } 

?运行结果：

然而?C?语言的 fopen 函数，只需要浅浅地标上一个 "w" 就能搞定了：

open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
fopen("log.txt", "w");

?3、O_APPEND 追加（对标 a）

C?语言中我们以 a 模式打开文件做到追加的效果。

现在我们用 open，追加是不清空原始内容的，所以我们不能加 O_TRUNC，得加 O_APPEND：

int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREATE | O_APPEND, 0666);

?运行结果如下：

再次追加：

我们再来对照 C?语言的 fopen，想做到这样的效果只需要一个 "a" ：

open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
fopen("log.txt", "a");

4、O_REONLY 读取

?如果我们想读取一个文件，那么这个文件肯定是存在的，我们传 O_RDONLY 选项：

int main()
{
    umask(0);
 
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd: %d\n", fd);
 
    char buffer[128];
    ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (s > 0) {
        buffer[s] = '\0';  // 最后字符串序列设置为 '\0' 
        printf("%s", buffer);
    }
 
    close(fd);   
    return 0;
}

运行结果：

二、文件描述符（fd）?

1、open 参数的返回值?

int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);

我们使用 open 函数举的例子中，一直是用一个叫做 fd 的变量去接收的。

fopen 中我们习惯使用 fp / pf 接收返回值，那是因为是 fopen 的返回值? FILE* 是文件指针，

file pointer 的缩写即是 fp，所以我们就习惯将这个接收 fopen 返回值的变量取名为 fp / pf。
那为什么接收 open 的返回值的变量要叫 fd 呢？

????????????????????????????????fd——————文件描述符

open 如果调用成功会返回一个新的 文件描述符 (file descriptor) ，如果失败会返回 -1?。

代码演示：我们现在多打开几个文件，观察 fd 的返回值?

int main(void)
{
    int fd_1 = open("log1.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd_2 = open("log2.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd_3 = open("log3.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd_4 = open("log4.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
    int fd_5 = open("log5.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);
 
    printf("fd_1: %d\n", fd_1); 
    printf("fd_2: %d\n", fd_2); 
    printf("fd_3: %d\n", fd_3); 
    printf("fd_4: %d\n", fd_4); 
    printf("fd_5: %d\n", fd_5); 
    
    close(fd_1);
    close(fd_2);
    close(fd_3);
    close(fd_4);
    close(fd_5);
 
    return 0;
}

运行结果：

我们发现这 open 的 5 个文件的??(返回值)?分别是 ?，那么问题了来了：?

为什么从 3 开始，而不是从 0 开始？0, 1, 2 去哪了？

?

系统接口认的是外设，而? 标准库函数认的是：?

#include <stdio.h>
 
extern FILE* stdin;
extern FILE* stdout;
extern FILE* stderr;

系统调用接口！那么 stdin, stdout, stderr 和上面的 0,1,2 又有什么关系呢？

想解决这个问题，我们得先说说 ：

我们知道，FILE* 是文件指针，那么? 是什么呢？它是 ?库提供的结构体。

只要是结构体，它内部一定封装了多个成员！

虽然 ?用的是 FILE*，但是系统的底层文件接口只认 fd，也就是说：?标准库调用的系统接口，对文件操作而言，系统接口只认文件描述符。

?因此，FILE 内部必定封装了文件操作符??！

下面我们来验证一下，先验证 0,1,2 就是标准

代码验证：0 是标准输入 (stdin)?

int main(void)
{
    // 验证 0,1,2 就是标准 I/O
    char buffer[1024];
    ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);
 
    if (s > 0) {
        buffer[s] = '\0';
 
        printf("echo: %s", buffer);
    }
}

?运行结果如下：

代码验证：stdout?标准写入(1) 和 stderr 错误写入(2) ：?

?

至此，我们证明了：

????????????????????????0 (标准输入, stdin) ，1 (标准输出, stdout)，2 (错误输出, stderr)?

代码验证：下面我们就来证明?fd?的存在，证明 stdin, stdout 和 stderr 的对应关系?

int main(void)
{
    printf("stdin: %d\n", stdin->_fileno);
    printf("stdout: %d\n", stdout->_fileno);
    printf("stderr: %d\n", stderr->_fileno);
}

?运行结果如下：

?

函数接口的对应：fopen / fclose / fread / fwrite? ?： open / close / read / write

数据类型的对应：(FILE* → FILE) →?

?结论：我们用的 ?语言接口一定封装了系统调用接口！

2、文件描述符的底层理解

逻辑推导：进程：内存文件的关系 →?内存 → 被打开的文件实在内存里面的

一个进程可以打开多个文件，所以在内核中，进程与打开的文件之比为：1:n

所以系统在运行中，有可能会存在大量的被打开的文件 → OS 要对这些被打开的文件进行管理！

OS 如何管理这些被打开的文件呢？还是我们老生常谈的那句话：

????????????????????????????????????????????????????????????????????????先描述，再组织！

所以对我们来说，一个文件被打开不要片面的认为只是对文件内容动动手脚！

它还要 在内核中创建被打开文件的内核数据结构?—— 先描述

struct file {
    // 包含了你想看到的文件的所有大部分 内容 + 属性
    
    struct file* next;
    struct file* prev;
};

如果你在内核中打开了多个的文件，那么系统会在内核中为文件创建一个 struct file 结构。

可以通过 next 和 prev 将其前后关联起来（内核的链表结构有它自己的设计，这里我们不关注）。

既然你打开了一个文件，就会创建一个 struct file，那么你打开多个文件，

系统中必然会存在大量的 struct file，并且该结构我们用链表的形式链接起来：

如此一来，对被打开的文件的管理，就转化成为了对链表的增删改查！?

程如何和打开的文件建立映射关系？打开的文件哪一个属于我的进程呢？

在内核中，task_struct 在自己的数据结构中包含了一个 struct files_struct *files?(结构体指针)：

struct files_struct *files;

?而我们刚才提到的 "数组" 就在这个 file_struct 里面，该数组是在该结构体内部的一个数组。

struct file* fd_array[];

该数组类型为 struct file* 是一个 指针数组，里面存放的都是指向 struct file 的指针！

数组元素映射到各个被打开的文件，直接指向对应的文件结构，若没有指向就设为 NULL。?

此时，我们就建立起了 "进程" 和 "文件" 之间映射关系的桥梁。?

?如此一来，进程想访问某一个文件，只需要知道该文件在这张映射表中的数组下标。

上面这些就是在内核中去实现的映射关系了！这个下标 0,1,2,3,4 就是对应的文件描述符 fd

?！

我们调用的 open / read / write / close 接口都需要?fd：?

选号：当我们 open 打开一个新的文件时，先创建 struct file，然后在当前的文件描述表中分配一个没有被使用的下标，把 stuct file 结构体的地址填入?struct file* 中，然后通过 open 将对应的?fd?返回给用户，比如?3，此时我们的 fd?变量接收的 open 的返回值就是 3 了。?

兑奖：后续用户再调用 read, write 这样的接口一定传入了对应的?fd，找到了特定进程的 files，在根据对应的?fd?索引到指针数组，通过 sturct file* 中存储的 struct file 结构体地址，找到文件对象，之后就可以对相关的操作了。?

总结：其本质是因为它是一个数组下标，系统中使用指针数组的方式，建立进程和文件之间的关系。将 fd?返回给上层用户，上层用户就可以调用后续接口 (read, write...) 来索引对应的指针数组，找到对应文件，这就是?fd?为什么是 0,1,2... 的原因了！?

3、初识 VFS（虚拟文件系统）

上面说的这种设置一套 struct file 来表示文件的内存文件系统的操作，

我们称之为??(virtual file system) ，即 虚拟文件系统 。

?

4、回头看问题：fd 的 0,1,2,3...??

至此，我们梳理完了。现在我们再回过头看 fd 的 1,2,3,4... 就能有一个清楚的认识了。

现在我们再我们最开始的问题，想必大家已经做到 "知其然知其所以然" 了！

① 为什么从 3 开始，而不是从 0 开始？0, 1, 2 去哪了？?

?stdin,stdout,stderr 和 0,1,2 是对应关系，因为 open 时默认就打开了，这也是为什么我们默认打开一个新的文件，fd 是从 3 开始的而不是 0 开始的真正原因！

②? 0, 1, 2, 3, 4……，是不是有点像数组下标？?

??不是有点像，它其实上就是数组下标！fd 0,1,2,3,4...? 在内核中属于进程和文件的对应关系，是用数组来完成映射的，这些数字就是数组的下标。read, write, close 这些接口都必须用 0,1,2,3,4 来找到底层对应的 struct file 结构，进而访问到底层对应的读写方法 (包括相关的属性,缓冲区等) 。
?