【Linux】文件IO--open/close/文件描述符(详)

strace命令：shell中使用strace命令跟踪程序执行，查看调用的系统函数。

open/close函数

头文件：<fcntl.h>

open函数：

函数原型：

int open(const char *pathname,int flags);
int open(const char *pathname,int flags,mode_t mode);

//mode_t:八进制的整型

常用参数：

：O_RDONLY(readonly-只读)、O_WRONLY(writeonly-只写)、O_RDWR(read&write-读写)

：O_APPEND、O_CREAT、O_EXCL、O_TRUNC、O_NONBLOCK

1. O_APPEND：在文件的末尾追加数据。如果与写操作一起使用，写入的数据将会被添加到文件的末尾，而不是覆盖现有内容。

2. O_CREAT：如果指定的文件不存在，则创建一个新文件。这个标志通常与 O_WRONLY 或 O_RDWR 一起使用，以便在创建文件的同时打开它。

3. O_EXCL：与 O_CREAT 一起使用时，确保如果文件已经存在，则打开操作失败。也就是说, 只有在新建文件时不会覆盖已存在的文件，如果用 O_CREAT | O_EXCL 组合打开一个已存在的文件，将返回错误。

4. O_TRUNC：如果打开的文件已经存在且是以写入模式打开（如 O_WRONLY 或 O_RDWR），则将其长度截断为零，相当于清空文件的内容。

5. O_NONBLOCK：以非阻塞模式打开文件。对于网络套接字操作，这表示读取和写入操作不会等待资源就绪，而是立即返回。

简单使用：

再见umask：

①新建文件时不设置权限:

②新建文件时设置权限为0664:

③新建文件时设置权限为0666:

此时并不按照预期的结果设置权限，这是因为创建文件时，指定访问权限，权限同时还受掩码影响。使用umask查看掩码：(掩码默认0002)

对于上述的0666权限，我们将8进制转化为2进制数为：110 110 110

掩码写为二进制数为：000 000 010，而我们看到的显示的结果为0664，转化为二进制为：110 110 100。对于这三个数，我们的运算法则是这样的：

110 110 100 = 110 110 110 & ~000 000 010（&：按位与，~：按位取反）

也许你以为这是异或的结果，但是其实不是，根据真值表我们可以得出下表的结果

根据该结果我们只需设置一个：0664（110 110 100），根据异或的结果，得出显示权限为：110 110 110(即0666)，根据 (a)与(非b)的结果，得出显示结果为：110 110 110（即0664）。设计程序验证一下：（也就是上面的第②个示例）。所以我们知道了文件实际(显示)权限不是 设置权限 异或上 掩码的结果。

结论为：文件权限 = mode & ~umask

umask命令初识 在后面的传送文章的末尾处：【Linux】命令杂谈--补充总结-CSDN博客

我们之前使用的fopen和fclose是用户级的库函数，这次我们要掌握的是系统级的open和close函数。使用man 2 open查看手册：

第一步，看函数与原型；第二步，看description描述，读到第二行，我们说一个特别重要的东西：file descriptor--文件描述符（这玩意即将伴随你学习linux的一生，哈哈），在这里我可以明确的下个定义，文件描述符就是个整数，但是具体是什么我们稍后再说，现在记住open返回一个整数就行了。 

close函数：

原型：int close(int fd);用于关闭文件，传入的参数为文件描述符。返回值：成功返回0，失败返回-1，并设置errno值。需要说明的是：

int fd=open("./dict.txt",O_RDONLY);
int ret= close(fd);
printf("ret=%d\n",ret);

常见错误：

1.打开方式不存在

在该示例中，当前目录下，没有名为dict.txt的文件，但是我们的open.c文件试图去以只读的方式打开该文件，并且没有传入其它标识符来预防问题。那么open将打开失败，返回fd=-1，并设置errno的值，这个值就是<errno.h>头文件下的一个"全局变量"errno（实际上是与环境变量相关的），代表的含义为<string.h>头文件下的strerror(errno)返回的一个字符串“No such file or directory”--没有这个文件或目录。 

2.以写的方式打开只读文件（打开文件没有对应权限）

创建一个文件dict.txt，设置权限为0444，编辑open.c文件，尝试以只写的方式打开该文件。输出结果仍然为fd=-1，代表打开失败。并且设置的errno值为13，经过strerror函数查看该值代表的含义，获取到“Permission denied”--权限被拒绝。说明打开的文件没有对应的权限，在该例中即 以只写方式 尝试打开 只有 读权限 的文件。

3.以只写的方式打开目录

在该例中，我们创建一个mydir目录，编辑open.c文件，尝试以只写的方式打开该目录，编译运行：返回fd=-1，说明没有打开成功，那么就进一步看errno的值：errno=21；并查看该值对应的信息：“Is a directory”--是一个目录文件。说明open并不能以只写的方式打开一个目录文件。 

文件描述符

基本认识：

文件描述符(File Descriptor, FD)

文件描述符是一个非常重要的概念，它用于表示对文件、套接字、管道等输入/输出（I/O）资源的引用。

定义：文件描述符是Unix/Linux系统中进程与文件、设备之间的接口，是操作系统中分配给每个打开文件或资源的一个非负整数。

作用：文件描述符用于高效管理已打开的文件，是进程访问文件的途径。通过文件描述符，进程可以对文件进行读写、控制和管理等操作。

默认：在程序刚启动时，默认有三个文件描述符，分别是0（代表标准输入stdin）、1（代表标准输出stdout）和2（代表标准错误stderr）。

程序的本质是一个进程。而操作系统为每个进程维护一个文件描述符表，新打开文件返回文件描述符表中未使用的最小文件描述符，调用open函数可以打开或创建一个文件，得到一个文件描述符。

PCB进程控制块：

可以使用命令：locate sched.h查看位置：(loacte命令需要先下载)

下面给大家看个原理图，左侧大部分都认识，就是虚拟空间分布模型，然后我们此时即将详细查看内核空间中PCB进程控制块里面的文件描述符表。因为涉及到了PCB进程控制块，我们在下面给出它的概念。

 进程控制块（Process Control Block，简称 PCB）是操作系统中用于管理进程的重要数据结构，它包含了一个进程的所有关键状态信息。PCB 本质上是每个进程的“身份证”，用于操作系统调度和管理进程的运行。主要包括：

1. 进程标识符（Process ID，PID）：唯一标识一个进程的编号。

2. 进程状态：指示进程当前的状态，通常包括新建（New）、就绪（Ready）、运行（Running）、等待（Blocked）和终止（Terminated）。

3. 程序计数器（Program Counter，PC）：指向进程下一条将要执行的指令的地址。

4. CPU 寄存器：存储 CPU 状态的寄存器，包括累加器、索引寄存器等，这些寄存器的值在进程上下文切换时需要保存和恢复。

5. 内存管理信息：包括基址寄存器和界限寄存器，或页表等信息，用于管理该进程的内存空间。

6. 调度信息：包含调度优先级、调度队列指针等，用于进程的调度和管理。

7. I/O 状态信息：记录该进程所占用的 I/O 设备和正在进行的 I/O 操作的信息。

8. 进程间通信信息：如果进程与其他进程有通信或同步需求，则需要保存相关的信息。

它在计算机中是以结构体的形式存在的：

struct task_struct{
    int process_id;//进程标识符
    int state;//进程状态(就绪、运行、等待等)
    int priority;//进程优先级
    int register_set[16];//寄存器集合（如通用寄存器、程序计数器等）
    int memory_allocated;//分配的内存大小
    struct task_struct *parent;//父进程的PCB指针
    struct task_struct *next;//指向下一个PCB的指针（用于链式形式管理进程）

    //其他信息
    int cpu_time;//进程使用的CPU的时间
    int io_time;//进程使用的I/O的时间
    //可能还会又其他的同步、调度、信号等信息。
}

而文件描述符表是PCB进程块这个结构体中的 一个指针成员，这个指针指向一个表，就是文件描述符表。 

文件描述符表：

文件描述符表的内容通常包括：

• 文件描述符：非负整数，如 0、1、2（分别代表标准输入、标准输出和标准错误）。
• 指向打开文件表的指针：每个条目中会有指针，指向具体的打开文件表（open file table）。
• 文件状态标志：如只读、只写、可读写等。

在现代操作系统中，通过这种结构，进程可以方便地管理和使用文件。

在文件描述符表中：存储的是一个个文件描述符，文件描述符本质上是一个整数，它作为一个索引，用于指向进程中的文件表中的一个条目。实际上，这个文件描述符并不直接包含文件的信息，而是指向一个内核内部的数据结构--通常称为“文件描述符表”中的相应条目。这个条目包含了有关打开文件的具体信息。例如：文件类型、文件位置、权限信息、文件状态（是否为阻塞模式，阻塞我们会在下一篇文章中提到）。文件描述符的“值”可以被视为一个指向这些结构体的引用，用于在用户空间与内核空间之间进行文件操作。通常使用文件描述符时，它们的类型是int，但在操作的底层，它们的含义更加复杂，需要与操作系统提供的API结合使用，以访问或修改底层资源。

在之后我们常用的描述为：文件描述符是一个指向 文件结构体(struct file) 的指针的索引。因为操作系统不想让你知道详细内容，这些东西是对你隐藏的，所以我们常用的是其索引值、也就是int整型。

最大打开文件数：

一个进程中的文件描述符表的大小是有上限的，也就是1024个，由于下标是从0开始的，所以，一个进程中，最大的 文件的描述符 的值为1023。如果你想改变这个值，也可以，你要去重新编译内核。不推荐这么去干，所以一般认为最大打开文件数为1024个。

这里还有一个概念，新打开的文件的文件描述符是文件描述符表中可用的最小的值。例如：打开一个文件后，那么这个文件使用的文件描述符为3（012被三个标准文件占用，之后就不提了，牢记于心）。再打开一个，就是4，此时关闭fd=3的文件，我再重新打开一个新文件，这个文件的描述符为5还是为3？答案是3！

之后再使用时，如果使用到标准输入、输出、错误。不推荐使用0、1、2这三个数，建议使用三个宏：STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、STDERR_FILENO。

命令查看：ulimit -a 查看open files对应值，默认为1024

可以使用ulimit -n 4096修改，也可以通过修改系统配置文件永久修改该值，但是不建议这样操作。

cat /proc/sys/fs/file-max可以查看该电脑最大可以打开的文件个数、受内存大小影响。

FILE结构体：

typedef struct {  
    int fd;                // 文件描述符  
    char *buf;             // 缓冲区指针  
    size_t bufsize;        // 缓冲区大小  
    size_t pos;            // 当前缓冲区位置  
    int flags;             // 状态标志  
    off_t offset;          // 文件位置指针  
    // ... 其他可能的字段  
} FILE;

由于FILE是一种抽象数据类型，用户通常不需要直接访问其内部结构。在C语言中，标准函数（如fopen、fread、fwrite、fclose等）会通过FILE指针间接操作文件。 

 运行示例： 

因为程序的本质是一个进程，而操作系统会为每个进程都维护一个文件描述符表。所以我们将根据下面一些示例来对返回值fd的值进行深入地探究。 

①一个程序在两个终端运行:

在该示例中，两个终端属于不同的进程，所以程序是在两个不同的进程执行的。那么每个进程除了默认维护 012三个文件描述符外，都将新维护一个fd=3的文件。所以此时是两个fd=3。

② 两个程序在两个终端运行:

在该示例中，两个不同的程序在不同的终端进行，也就是在两个进程中运行，那么得到的结果依旧是两个fd=3。在同一个进程中，并没有多维护第五个值为4的文件描述符。

③一个程序打开两个文件:

 在该示例中，一个进程中，运行两个不同的open，打开两个文件，因此第一个fd的值是012除外的3，而第二个fd2的值就是在此基础上的第五个描述符：4。

通过上述三个示例，我们更加清晰的体会到了，“每个进程维护一个文件描述符表”，这句话。