Linux 文件I/O — 文件描述符详解

灰太狼 2022-08-20 06:20 151阅读 0赞

注：学习资源来自邢文鹏老师

## 文件描述符 ##

一个进程默认打开3个文件描述符

STDIN_FILENO 0
    STDOUT_FILENO 1
    STDERR_FILENO 2

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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**。

`open`函数可以打开或创建一个文件。

#include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    
    int open(const char *pathname, int flags);
    int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

返回值：成功返回新分配的文件描述符，出错返回-1并设置errno

在Man Page中open函数有两种形式，一种带两个参数，一种带三个参数，其实在C代码中open函数是这样声明的：

int open(const char *pathname, int flags, ...);

第三个参数mode指定文件权限，可以用八进制数表示，比如0644表示-rw-r-r–，也可以用`S_IRUSR`、`S_IWUSR`等宏定义按位或起来表示，详见open(2)的`Man Page`。  
要注意的是，文件权限由open的mode参数和当前进程的umask掩码共同决定。

最后的可变参数可以是0个或1个，由flags参数中的标志位决定，见下面的详细说明。

`pathname`参数是要打开或创建的文件名，和`fopen`一样，`pathname`既可以是相对路径也可以是绝对路径。

`flags`参数有一系列常数值可供选择，可以同时选择多个常数用按位或运算符连接起来，所以这些常数的宏定义都以`O_`开头，表示`or`。

必选项：以下三个常数中必须指定一个，且仅允许指定  
`O_RDONLY` 只读打开  
`O_WRONLY` 只写打开  
`O_RDWR` 可读可写打开

选项可以同时指定0个或多个，和必选项按位或起来作为`flags`参数。可选项有很多，这里只介绍一部分，其它选项可参考open(2)的`Man Page`：

*  **`O_APPEND`** 表示追加。如果文件已有内容，这次打开文件所写的数据附加到文件的末尾而不覆盖原来的内容。
 *  **`O_CREAT`** 若此文件不存在则创建它。使用此选项时需要提供第三个参数mode，表示该文件的访问权限。
 *  **`O_EXCL`** 如果同时指定了O\_CREAT，并且文件已存在，则出错返回。
 *  **`O_TRUNC`** 如果文件已存在，并且以只写或可读可写方式打开，则将其长度截断（Truncate）  
    为0字节。
 *  **`O_NONBLOCK`** 对于设备文件，以`O_NONBLOCK`方式打开可以做非阻塞I/O（`Nonblock I/O`），非阻塞I/O在下一节详细讲解。

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## open函数与fopen函数的区别 ##

以可写的方式`fopen`一个文件时，如果文件不存在会自动创建，而`open`一个文件时必须明确指定`O_CREAT`才会创建文件，否则文件不存在就出错返回。

以w或w+方式fopen一个文件时，如果文件已存在就截断为0字节，而open一个文件时必须明确指定O\_TRUNC才会截断文件，否则直接在原来的数据上改写。

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## umask命令 ##

补充说明一下Shell的`umask`命令。Shell进程的`umask`掩码可以用umask命令查看：

$ umask
    0002

用touch命令创建一个文件时，创建权限是0666，而touch进程继承了Shell进程的umask掩码，所以最终的文件权限是`0666&022=0644`。

$ touch file123
    $ ls -l file123
    -rw-rw-r-- 1 xingwenpeng xingwenpeng 0 9月11 23:48 file123

同样道理，用gcc编译生成一个可执行文件时，创建权限是0777，而最终的文件权限是`0777 & 022 = 0755`。

xingwenpeng@ubuntu:~$ umask
    0002
    xingwenpeng@ubuntu:~$ gcc main.c
    xingwenpeng@ubuntu:~$ ls -l a.out
    -rwxrwxr-x 1 xingwenpeng xingwenpeng 7158 9月11 23:51 a.out

我们看到的都是被`umask`掩码修改之后的权限，那么如何证明touch或gcc创建文件的权限本来应该是0666和0777呢？  
我们**可以把Shell进程的umask改成0，**再重复上述实验：

$ rm file123 a.out
    $ umask 0
    $ touch file123
    $ ls -l file123
    -rw-rw-rw- 1 xingwenpeng xingwenpeng 0 9月11 23:52 file123
    $ gcc main.c
    $ ls -l a.out
    -rwxrwxr-x 1 xingwenpeng xingwenpeng 7158 9月11 23:52 a.out

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close函数关闭一个已打开的文件：

#include <unistd.h>
    int close(int fd);

返回值：成功返回0，出错返回-1并设置errno

参数`fd`是要关闭的文件描述符。  
需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。  
但是对于一个长年累月运行的程序（比如网络服务器），**打开的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源**。

**由open返回的文件描述符一定是该进程尚未使用的最小描述符**。由于程序启动时自动打开文件描述符0、1、2，**因此第一次调用open打开文件通常会返回描述符3**，再调用open就会返回4。

可以利用这一点在标准输入、标准输出或标准错误输出上打开一个新文件，实现重定向的功能。  
例如，首先调用close关闭文件描述符1，然后调用open打开一个常规文件，则一定会返回文件描述符1，这时候标准输出就不再是终端，而是一个常规文件了，再调用printf就不会打印到屏幕上，而是写到这个文件中了。