OSLab文件描述符

 

日期：2019/3/24

内容：Linux文件描述符。

 

一、基本概念

• 文件描述符（File Descriptor）

一个非负整数。应用程序利用文件描述符来访问文件。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。

二、文件读写

• 头文件的解析

sys/stat.h	status
fcntl.h	file control

 

• int flags参数取值

必须取值：O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR。

可选取值（两种取值通过 | 组合）

O_APPEND	每次写操作都写入文件的末尾
O_CREAT	如果指定文件不存在，则创建这个文件
O_EXCL	如果要创建的文件已存在，则返回-1，并且修改errno的值
O_TRUNC	如果文件存在，并且以只写/读写方式打开，则清空文件全部内容(即将其长度截短为0)（truncate，截断）
O_NOCTTY	如果路径名指向终端设备，不要把这个设备用作控制终端。
O_NONBLOCK	如果路径名指向FIFO/块文件/字符文件，则把文件的打开和后继I/O

 

• mode_t mode参数

参    数	说    明	参    数	说    明
S_IRUSR	所有者拥有读权限	S_IXGRP	群组拥有执行权限
S_IWUSR	所有者拥有写权限	S_IROTH	其他用户拥有读权限
S_IXUSR	所有者拥有执行权限	S_IWOTH	其他用户拥有写权限
S_IRGRP	群组拥有读权限	S_IXOTH	其他用户拥有执行权限
S_IWGRP	群组拥有写权限

（数字表示法，例如chmod -r dir 777，777表示最高权限）

• 与文件相关的函数

int open(char *path, int flags, mode_t mode);	·mode是文件权限标志 ·返回值：成功则返回文件描述符，否则返回-1
int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags, mode_t mode);	·用到时再补充
int read(int fd, void *buf, size_t size);	·返回值成功返回读取的字节数，出错返回-1并设置errno，如果在调read之前已到达文件末尾，则这次read返回0。 ·注意判断返回值与参数size的大小关系
int write(int fd, void *buf, size_t size);	·返回实际写入的字节数，当有错误发生时则返回-1。

 

三、内核与文件管理

• 索引节点（Index Node, inode）

  >>索引节点保存了文件的元信息数据，包括：文件大小，磁盘位置，创建和修改时间，所有者，访问权限。

• file结构体

  >>一个file结构体表示一个打开的文件。

  >>其包含的信息：对应的inode，文件当前的访问位置（即读写位置），打开模式，etc

• 文件描述符表

  >>实质是一个数组，数组的元素类型是指针，指针指向一个file结构体。上文所述fd是数组下标。

  >>用于保存被打开的文件。

  >>内核打开文件时，分配一个file结构体表示被打开的文件，将该file结构体指针保存在文件描述符表中。

• 打开文件的过程

找到文件对应的索引节点inode 分配一个file结构体 file结构体的inode字段指向第1步的inode file结构体的文件访问位置字段初始化为0 从文件描述符表中找一个空闲项，指向第2步的file结构体，返回该空闲项在数组中的的下标，即fd

 

• 进程控制块（PCB）

  >>进程控制块是操作系统表示进程状态的数据结构。

  >>存放用于描述进程情况及控制进程运行所需的全部信息。包括：进程标识信息（PID）、处理机状态、进程调度信息、打开文件列表（即上文所述的文件描述符表，记录进程打开的文件）

  >>私有的文件描述符表

  >>>>文件描述符表对进程来说是私有的: 每个进程都有一个私有的文件描述符表; 操作系统有N个进程，则对应有N张文件描述符表。

  >>>>两个进程打开不同的文件，文件描述符可能是相同的。进程A打开文件a.txt，open返回值是3；进程B打开文件b.txt，open返回值也可能是3。

  >>实例代码

aopen.c	bopen.c
#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <unistd.h> int main() {     int fd = open("aopen.c", O_RDONLY);     printf("a fd = %d\n", fd);     close(fd);     return 0; }	#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <unistd.h> int main() {     int fd = open("bopen.c", O_RDONLY);     printf("b fd = %d\n", fd);     close(fd);     return 0; }

 

• 三个标准文件（stdin、stdout、stderr）

  >>一切皆文件

  >>stdin：标准输入文件，通常对应终端的键盘，进程的文件描述符表第0项

  >>stdout：标准输出文件，通常对应终端屏幕，进程的文件描述符表第1项

  >>stderr：标准错误输出文件，通常对应终端屏幕，进程的文件描述符表第2项

  >>如果关闭2号文件stderr(即close(2))，再打开一个新文件fd，那么fd=2。

  >>实例代码

int main() {     char buf[256] = { 0 };     int len = read(0, buf, sizeof(buf));     write(1, buf, len);     return 0; }

 

四、重定向

• 系统调用fork

  >>创建一个子进程：为子进程创建一个独立的地址空间；为子进程创建一个独立的文件描述符表。

  >>子进程复制父进程属性：代码段、数据段的内容；文件描述符表。

• 系统调用dup

  >>原型：int dup(int oldfd);

  >>功能：通过复制文件描述符oldfd，创建一个新的文件描述符newfd。newfd和oldfd指向相同的文件。

  >>返回值：成功newfd，失败-1（如oldfd不是有效的描述符时）

  >>成功后，newfd与oldfd不会共享fd_flags（例如the close-on-exec flag，close(newfd)之后，oldfd依然有效）

  >>代码与图解

代码	dup前	dup后
int main() {     int testfd = 6;     int newtestfd = dup(testfd);     printf("newtestfd = %d\n", newtestfd);       int oldfd = 2;     const char *str = "Hello World from str...\n";     int newfd = dup(oldfd);     write(newfd, str, strlen(str));     close(newfd);     write(oldfd, str, strlen(str));     return 0; }

 

• 系统调用dup2

  >>原型：int dup2(int old, int new)

  >>功能：用new指定新描述符的值，如果new本身已经打开了，则会先将其关闭再将new指向old，最后返回new。如果old等于new，则返回new，并不关闭它。（简记：关new指old，可用于输出的重定向）

  >>返回值：成功返回新复制的fd（即newfd），失败-1。如果old无效，返回-1。

  >>重定向实例代码（将stderr重定向到文件log）

代码	图解
int main() {     int fd = open("log", O_RDWR | O_CREAT);     dup2(fd, 2);     char *str = "Hello World...\n";     write(2, str, strlen(str));     close(fd);     return 0; }

 

• 系统调用pipe（可以实现父子进程之间的通信）

  >>原型：int pipe(int fd[2])

  >>功能：创建一个可读写的管道，管道具备读端和写端。fd[0]是pipe的读端，fd[1]是管道的写端。

  >>返回值：成功0，失败非0。

  >>注意：管道中的buf一旦被读取，就没有了。（即：数据只能读取一次）

  >>实例1

int main() {     int fd[2] = {-1, -1};     pipe(fd);     const char *str = "Hello world...\n";     char buf[256];     printf("read = %d, write = %d\n", fd[0], fd[1]);     write(fd[1], str, strlen(str));     read(fd[0], buf, 255);     printf("buf = %s\n", buf);     close(fd[0]);     close(fd[1]); }

 

>>实例2（实现命令：cat pipe.c | wc）

int main() {     int fd[2];     int pid;     int status = 0;     char buf[1024 * 2] = "";     pipe(fd); //must be at the front of fork()     pid = fork();       if (pid == 0)     {         dup2(fd[1], 1); //stdout points to wirte pipe         close(fd[0]);         close(fd[1]);         execlp("cat", "cat", "pipe2.c", NULL);         exit(-1);     }       wait(&status);     if(status != 0)         perror("execlp error...\n");       dup2(fd[0], 0); //stdin points to read pipe     close(fd[0]);     close(fd[1]);     //read(0, buf, sizeof(buf) - 1);     execlp("wc", "wc", NULL);     printf("Are program getting here?\n");     return 0; } 运行结果 如果把父进程中execlp前面的read加上 s 分析： ·pipe调用必须在fork之前，否则不会共享pipe ·父子进程中注意关闭不需要的fd[i]（因为通常是一个进程读，一个进程写） ·pipe中buf的数据只能读取一次

图解：