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Linux文件IO-基础知识了解及文件描述符

article 2024/9/27 9:24:07

1、简介

本章给大家介绍 Linux 应用编程中最基础的知识，即文件 I/O（Input、Outout），文件 I/O 指的是对文件的输入/输出操作，说白了就是对文件的读写操作；Linux 下一切皆文件，文件作为 Linux 系统设计思想的核心理念，在 Linux 系统下显得尤为重要，所以对文件的 I/O 操作既是基础也是最重要的部分。本章将向大家介绍 Linux 系统下文件描述符的概念，随后会逐一讲解构成通用 I/O 模型的系统调用，譬如打开文件、关闭文件、从文件中读取数据和向文件中写入数据以及这些系统调用涉及的参数等内容。本章将会讨论如下主题内容。

文件描述符的概念；
打开文件 open()、关闭文件 close()；
写文件 write()、读文件 read()；
文件读写位置偏移量。

2、一个简单的文件IO示例

本章主要介绍文件 IO 操作相关系统调用，一个通用的 IO 模型通常包括打开文件、读写文件、关闭文件这些基本操作，主要涉及到 4 个函数：open()、read()、write()以及 close()，我们先来看一个简单地文件读写示例，应用程序代码如下所示：

示例代码 2.1.1 一个简单地文件 IO 示例

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
	 char buff[1024];
	 int fd1, fd2;
	 int ret;

	 /* 打开源文件 src_file(只读方式) */
	 fd1 = open("./src_file", O_RDONLY);
	 if (-1 == fd1)
			 return fd1;

	 /* 打开目标文件 dest_file(只写方式) */
	 fd2 = open("./dest_file", O_WRONLY);
	 if (-1 == fd2) {
			 ret = fd2;
			 goto out1;
	 }

	 /* 读取源文件 1KB 数据到 buff 中 */
	 ret = read(fd1, buff, sizeof(buff));
	 if (-1 == ret)
			 goto out2;

	 /* 将 buff 中的数据写入目标文件 */
	 ret = write(fd2, buff, sizeof(buff));
	 if (-1 == ret)
			 goto out2;
	 ret = 0;

	out2:
		 /* 关闭目标文件 */
			close(fd2);

	out1:
		 /* 关闭源文件 */
		 close(fd1);
		 return ret;
}

这段代码非常简单明了，代码所要实现的功能在注释当中已经描述得很清楚了，从源文件 src_file 中读取 1KB 数据，然后将其写入到目标文件 dest_file 中（这里假设当前目录下这两个文件都是存在的）；在进行读写操作之前，首先调用 open 函数将源文件和目标文件打开，成功打开之后再调用 read 函数从源文件中读取 1KB 数据，然后再调用 write 函数将这 1KB 数据写入到目标文件中，至此，文件读写操作就完成了，读写操作完成之后，最后调用 close 函数关闭源文件和目标文件。

3、文件描述符

调用 open 函数会有一个返回值，譬如示例代码 2.1.1 中的 fd1 和 fd2，这是一个 int 类型的数据，在 open函数执行成功的情况下，会返回一个非负整数，该返回值就是一个文件描述符（file descriptor），这说明文件描述符是一个非负整数；对于 Linux 内核而言，所有打开的文件都会通过文件描述符进行索引。

当调用 open 函数打开一个现有文件或创建一个新文件时，内核会向进程返回一个文件描述符，用于指代被打开的文件，所有执行 IO 操作的系统调用都是通过文件描述符来索引到对应的文件，譬如示例代码2.1.1 中，当调用 read/write 函数进行文件读写时，会将文件描述符传送给 read/write 函数，所以在代码中，fd1 就是源文件 src_file 被打开时所对应的文件描述符，而 fd2 则是目标文件 dest_file 被打开时所对应的文件描述符。

一个进程可以打开多个文件，但是在 Linux 系统中，一个进程可以打开的文件数是有限制，并不是可以无限制打开很多的文件，大家想一想便可以知道，打开的文件是需要占用内存资源的，文件越大、打开的文件越多那占用的内存就越多，必然会对整个系统造成很大的影响，如果超过进程可打开的最大文件数限制，内核将会发送警告信号给对应的进程，然后结束进程；在 Linux 系统下，我们可以通过 ulimit 命令来查看进程可打开的最大文件数，用法如下所示：


ulimit -n

图 2.2.1 查看进程可打开的最大文件数

该最大值默认情况下是 1024，也就意味着一个进程最多可以打开 1024 个文件，当然这个限制数其实是可以设置的，这个就先不给大家介绍了，当然除了进程有最大文件数限制外，其实对于整个 Linux 系统来说，也有最大限制，那么关于这些问题，如果后面的章节内容中涉及到了再给大家进行介绍。

所以对于一个进程来说，文件描述符是一种有限资源，文件描述符是从 0 开始分配的，譬如说进程中第一个被打开的文件对应的文件描述符是 0、第二个文件是 1、第三个文件是 2、第 4 个文件是 3……以此类推，所以由此可知，文件描述符数字最大值为 1023（0~1023）。每一个被打开的文件在同一个进程中都有一个唯一的文件描述符，不会重复，如果文件被关闭后，它对应的文件描述符将会被释放，那么这个文件描述符将可以再次分配给其它打开的文件、与对应的文件绑定起来。

每次给打开的文件分配文件描述符都是从最小的没有被使用的文件描述符（0~1023）开始，当之前打开的文件被关闭之后，那么它对应的文件描述符会被释放，释放之后也就成为了一个没有被使用的文件描述符了。

当我们在程序中，调用 open 函数打开文件的时候，分配的文件描述符一般都是从 3 开始，这里大家可能要问了，上面不是说从 0 开始的吗，确实是如此，但是 0、1、2 这三个文件描述符已经默认被系统占用了，分别分配给了

系统标准输入（0）

标准输出（1）

以及标准错误（2）

关于这个问题，这里不便给大家说太多，毕竟这是后面的内容，这里只是给大家提一下，后面遇到了再具体讲解。

Tips：Linux 系统下，一切皆文件，也包括各种硬件设备，使用 open 函数打开任何文件成功情况下便会返回对应的文件描述符 fd。每一个硬件设备都会对应于 Linux 系统下的某一个文件，把这类文件称为设备文件。所以设备文件对应的其实是某一硬件设备，应用程序通过对设备文件进行读写等操作、来使用、操控硬件设备，譬如 LCD 显示器、串口、音频、键盘等。