Linux - fd文件描述符和文件详解-Toy模板网

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本文章收录于专栏【Linux系统编程】

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   本文章由风君子吖原创

前言

之前我们学习回顾了C语言文件操作的接口函数，并且学会了使用系统给我们提供的文件操作接口函数，

还知道了许多的概念，对于语言层面上的接口函数，它们在底层必然会对系统接口函数进行封装，这不仅便于我们使用，而且还实现了语言的跨平台性。

而学习系统调用接口，就是学习语言层面上我们一些我们无法理解的东西，能够更好的了解底层，再今后的学习更加受益匪浅！

而在Linux中，万物皆文件，所以不仅仅只是磁盘上存储的文件叫文件，我们的各种硬件也能被称之为文件，所以，我们调用系统提供的文件操作函数也可以对硬件进行各种操作，当然，这种操作并不是我们用户层来操作的，而是进程经过OS之手来进行操作的，因为只有操作系统才有对硬件进行IO的权限！

上一篇文章，我们对于文件描述符fd进行了初步的了解，而今天，我们就来详细讲解文件描述符fd与整个文件体系的密切关系

文件描述符fd

想要理解文件描述符就得明白这样一个概念，怎么样的文件才会被给予文件描述符？一台计算机中的磁盘上可能会有上万的文件，那么我们需要对所有的文件都进行管理吗？肯定不能，所以，我们只能对被进程打开的文件进行管理，而这些文件也会被加载到内存中，而这些被打开的文件，就会被给予文件描述符。

上篇文章中，我们从打印的文件描述符来看，它似乎是一串连续的数字，并且我们打开的文件的描述符都是从3开始依次增加的，这是因为在系统在进程运行时，会默认打开三个文件，这些文件就是标准输入(0)，标准输出(1)，标准错误(2)。

Linux - fd文件描述符和文件详解

从fd的结果来看为什么是一串连续的数字，这有什么特殊的含义吗？从我们之前的经验来看，一串连续的数字通常会联想到什么？没错，就是数组下标，那么这跟数组下标真的有关系吗？如果真的是数组下标，那么有什么用，这就需要明白文件在内存中的体系结构。

文件体系结构（重点）

这里讲的文件体系结构指的是被进程打开的文件，而被进程打开的文件是要被加载的内存的，也就是要在内核中创建一个管理文件的数据结构，更重要的是，既然是被进程所打开，那么就需要被进程所管理起来。

而进程的管理模块是我们熟的不能再熟的PCB（process control block），那么有什么办法可以储存文件的几乎所有内容呢？ -> 答案是struct 结构体，而这个结构体叫做struct file{...} ，这个结构体包含了一个文件的几乎所有内容。

但是一个进程只能打开一个文件吗？肯定是不止的，光进程打开的默认三个文件标准输入输出、错误就有三个文件，所以一个进程是可以打开多个文件的，而进程与被打开的文件的比例就是1：n，所以我们就又需要一个结构体来管理所有的打开的文件，这个结构体叫做files_struct，并且这个结构体是被存储于进程的PCB之中的，所以就有了这么一个对应关系

struct task_struct(PCB)->struct files_struct->struct file

files_struct储存多个struct file是通过一个指针数组来完成的，而这个指针数组，每个元素都是存储着struct* file，那么这个时候fd充当下标就再合适不过了！

Linux - fd文件描述符和文件详解

重定向

对于fd文件描述符的作用我们已经知道了，它是被files_struct 用来找对应的文件的，那么我们来看下面比较有意思的现象。

先将fd为1的文件关闭，也就是标准输出文件关闭，然后再打开log.txt文件

Linux - fd文件描述符和文件详解

[fengjunzi@VM-4-2-centos lesson14_fd]$ ./myfile 
[fengjunzi@VM-4-2-centos lesson14_fd]$ ll
total 24
-rw-rw-r-- 1 fengjunzi fengjunzi   22 Jun  7 18:27 log.txt
-rw-rw-r-- 1 fengjunzi fengjunzi   65 Jun  7 13:03 Makefile
-rwxrwxr-x 1 fengjunzi fengjunzi 8608 Jun  7 18:27 myfile
-rw-rw-r-- 1 fengjunzi fengjunzi  340 Jun  7 18:27 myfile.c
[fengjunzi@VM-4-2-centos lesson14_fd]$ cat log.txt 
hello world
hello 123

这个时候运行程序发现并没有打印hello world 和 hello 123 在屏幕上，并且再查看log.txt的内容，发现竟然写到了log.txt 里面，这是怎么一回事？

close（1）关闭的是标准输出，那么关闭的是stdout吗？这是不准确的，因为stdout是FILE*类型，而FILE是C语言定义的，那么系统是认fd还是认FILE？而stdout要跟标准输出要有关联，那么C语言一定对stdout进行了fd的封装，并且stdout的fd一定是1 ，所以这里我们虽然close（1），但是stdout仍然存在，且stdout的fd仍然是1，但是stdout已经不再指向的是标准输出了，那是指的什么？ -> 从结果来看，这时候的stdout指向的是log.txt文件。

为什么会指向log.txt？因为我们先关闭了fd = 1 ，而在我们打开新文件的时候，是会先从头检查fd_array是否存在空指针，如果有空指针，就会把该位置的fd分配给那个文件，所以这个时候log.txt就顶替了stdout的 fd，而printf,和fprintf无不是针对fd = 1 的文件进行写入！

那么这种现象叫做什么？是不是很像输出重定向？那么输出重定向的实现就是我们上面所写的那样吗？不是，因为系统提供了一个接口来更好的实现这个功能！

而通过这种方式，我们如果先close(0)，再调用scanf，是不是就相当于输入重定向了？

dup2系统调用

Linux - fd文件描述符和文件详解

dup2() makes newfd be the copy of oldfd, closing newfd first if necessary, but note the following:

 *  If oldfd is not a valid file descriptor, then the call fails, and newfd is not closed.

 *  If oldfd is a valid file descriptor, and newfd has the same value as oldfd, then dup2() does nothing, and returns newfd.

翻译过来就是使newfd被拷贝于oldfd，拷贝的是什么，当然是文件的内容，newfd指向的文件内容会被拷贝成oldfd的文件内容。

通过这个接口就能更好的实现输入、输出、追加重定向，因为如果使用上面的那种还需要关闭一个文件，更加麻烦。