【linux网络编程】文件描述符

1. 什么是文件描述符？

文件描述符（FD） 是操作系统用来管理打开的文件或 I/O 资源（如套接字、管道、设备文件等）的整数索引。

📌 在 Linux 中，一切皆文件：

2. 套接字是文件描述符

当你使用 socket() 创建一个监听套接字时，操作系统会返回一个文件描述符，用于标识这个套接字。

📌 监听套接字创建示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8080

int main() {
    int server_fd;  // 监听套接字的文件描述符
    struct sockaddr_in server_addr;

    // 1. 创建 TCP 套接字（返回文件描述符）
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        perror("Socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Socket created with file descriptor: %d\n", server_fd);

    // 2. 绑定 IP 和端口
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

    // 3. 监听端口
    listen(server_fd, 5);
    printf("Listening on port %d...\n", PORT);

    // 4. 关闭套接字
    close(server_fd);
    return 0;
}

📌 输出示例

Socket created with file descriptor: 3
Listening on port 8080...

• socket() 返回的 server_fd = 3，表示监听套接字的文件描述符。
• 这个 server_fd 可以像普通文件一样 read() 或 write()。

3. 监听套接字 vs. 客户端套接字

在服务器程序中：

1. socket() 创建监听套接字，返回 FD（如 server_fd=3）。
2. accept() 接受客户端连接，返回新的 FD（如 client_fd=4）。
3. client_fd 用于与客户端通信，而 server_fd 继续监听新的连接。

📌 服务器 accept() 连接示例

int client_fd;
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);

// 等待客户端连接
client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
printf("Accepted connection, new socket fd: %d\n", client_fd);

📌 示例输出

Socket created with file descriptor: 3
Listening on port 8080...
Accepted connection, new socket fd: 4

• server_fd=3（监听套接字） 继续等待新连接。
• client_fd=4（客户端套接字） 用于和客户端通信。

4. 使用 select() 监听多个文件描述符

Linux 提供 select() 允许同时监听多个文件描述符（包括套接字、标准输入、文件等）。

📌 监听 server_fd 和 stdin

fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(server_fd, &read_fds);
FD_SET(STDIN_FILENO, &read_fds);  // 监听键盘输入

int max_fd = (server_fd > STDIN_FILENO) ? server_fd : STDIN_FILENO;
select(max_fd + 1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);

if (FD_ISSET(server_fd, &read_fds)) {
    client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL);
    printf("New client connected: %d\n", client_fd);
}

if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &read_fds)) {
    char buffer[1024];
    read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer));
    printf("You typed: %s\n", buffer);
}

📌 总结

• server_fd 监听网络连接。
• STDIN_FILENO 监听键盘输入。
• select() 允许多个文件描述符同时监听。

5. 文件描述符的生命周期

1. 创建

   • socket() 返回文件描述符，如 server_fd=3。
   • accept() 返回新的连接文件描述符，如 client_fd=4。

2. 使用

   • read() / write() 或 send() / recv() 进行通信。
   • 服务器使用 select() 或 poll() 监听多个套接字。

3. 关闭

   • close(server_fd) 释放监听套接字。
   • close(client_fd) 释放客户端套接字。

注意

• 服务器不能关闭 server_fd，否则无法接受新连接！
• 客户端断开连接时，服务器应关闭 client_fd，避免文件描述符泄露。

6. 如何查看打开的文件描述符

Linux 提供 lsof 和 netstat 命令查看进程的打开套接字：

lsof -i :8080   # 查看监听 8080 端口的进程
netstat -anp | grep 8080   # 查看 8080 端口连接状态

示例输出：

COMMAND    PID    FD   TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME
server    1234    3u  IPv4  12345      0t0  TCP *:8080 (LISTEN)
server    1234    4u  IPv4  12346      0t0  TCP 192.168.1.10:8080->192.168.1.20:50000 (ESTABLISHED)

• server 1234 3u：进程 server 监听 8080 端口，文件描述符 3。
• server 1234 4u：建立了 TCP 连接，文件描述符 4。

7. 总结

✔ 监听套接字（server_fd）是文件描述符（FD），它在 Linux 中就像一个文件一样被管理。
✔ socket() 创建的监听套接字有一个 FD，accept() 返回的客户端连接也有自己的 FD。
✔ 服务器必须管理多个文件描述符（监听、客户端连接、标准输入等），可以使用 select() 监听多个 FD。
✔ 关闭 client_fd 释放客户端连接，但服务器 server_fd 必须保持打开以接受新连接。
✔ lsof -i 和 netstat 命令可查看监听端口和文件描述符信息。

📌 如果你在做 Linux 网络编程，理解“套接字 = 文件描述符” 是最核心的概念之一！ 🚀