【linux基础I/O(1)】文件描述符的本质重定向的本质

前言

“在Linux系统下，一切皆文件”，相信你也听过这句话,，那么怎样理解这句话呢?学会这篇文字,你就能理解了。

本章重点:

本篇文章着重讲解I/O的四个系统调用接口, 以及文件描述符fd的认识与fd的本质, 最后讲解应该怎样理解Linux下一切皆文件这一说法.在此之前,会先复习一下C语言的文件相关的库函数。

1. 理解C语言的文件接口

首先C\C++程序会默认打开stdin,stdout和stderr三个标准文件方便程序员直接进行读写.

但是显然有点不对劲, 我们平时使用printf和scanf时是从显示器中显示和从键盘输入, 是不是代表显示器和键盘在OS内部其实也可以看作文件?是的,向显示器打印和向磁盘写入无本质区别!

C语言打开文件的方式: fopen
C语言的读取: fread, fscanf, fgets
C语言的写入: fwrite, fprintf, fputs

fopen的返回值和三个标准文件类型都是FILE*

2. 操作文件的系统调用接口

每个语言都有一套自己的文件操作函数,但不管上层语言怎样变化,它都是封装了系统调用,所以文件的系统调用很重要!

一共四个函数:
1.open: 打开文件
2.close: 关闭文件
3.write: 向文件写入
4.read: 从文件中读取

2.1 open函数详解

open函数的解释如下:

这个flag比较特殊,虽然它是整型,但是内部却当作了位图在使用,即传递过来的选项会被当作位图中的不同位,通过判断某位是否为1来查看是否有这个选项.

open的选项(实际上是宏定义的整数)

open的用法: 多个选项用或|分割

int fd = open("/home/cc/test.txt",O_WRONLY | O_CREAT);

2.2 close函数详解

close函数很简单,意思就是关闭文件描述符fd对应的文件, 调用成功返回0.

2.3 write函数详解

write是向文件描述符fd对应的文件中写入数据, 数据的来源是buf, 要写入的字节数是count, 调用成功返回写入到文件中的字节数.

write的一般用法:

char* buffer = "abcdef";
int fd = open("/home/cc/text.txt",O_WRONLY);
write(fd,buffer,sizeof(buffer));

2.4 read函数详解

read是从文件描述符fd对应的文件中读取数据, 将数据读取到buf中,要读取的长度是count, 调用成功返回读取到的字节数.

read的一般用法:

char buffer[1024];
int fd = open("/home/cc/text.txt",O_WRONLY);
ssize_t n = read(fd,buffer,sizeof(buffer));
if(n > 0)buffer[n] = '\0';//将字符串变成C语言风格,以\0结尾

3. 文件描述符fd详解

我们知道文件描述符是一个整数,那么它是否有什么规律呢?请看下面的代码:

int fd1 = open("/home/kwy/text1.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
int fd2 = open("/home/kwy/text2.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
int fd3 = open("/home/kwy/text3.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
int fd4 = open("/home/kwy/text4.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
printf("%d, %d, %d, %d",fd1,fd2,fd3,fd4);

会发现fa1,2,3,4的整数值分别是:
3,4,5,6,这是为什么?需要回答两个问题:

1. 0号1号和2号描述符去哪儿了?
2. 文件描述符的增长规律是什么?

首先, 在最开始说过C/C++程序会默认打开stdin, stdout, stderr三个标准文件,所以其实0,1,2号文件描述符就是这三个标准文件.

其次, 0,1,2被使用后, 后面的文件描述符会从3开始, 依次+1, 一共创建到6号描述符,若此时将3号文件描述符关闭,下次打开文件对应的描述符就是3,而不是7!

可以使用下面的代码来验证第一个猜想:

//向屏幕打印信息
const char* str = "abcdef";
write(1, str, strlen(str));
//从屏幕读取信息
char buffer[1024];
int n = read(0, buffer, sizeof(buffer));
if(n > 0)buffer[n] = '\0';

4. 文件描述符的内核本质

进程想要访问某个文件的前提是打开文件,在操作系统内可能会有很多个打开的文件,OS为了维护这些资源,需要对它进行管理,会为每个打开的文件创建struct file结构体, 再用链表将这些结构体连接起来.

这是文件在OS内部的管理体系,而每个进程都要知道自己打开了哪些文件, 所以进程PCB中会保存一张文件描述符表(本质是结构体指针),这个表中存放了这个进程打开的所有文件!

从这个图中可以看见, 文件描述符的本质其实就是数组的下标,每次打开文件会去数组中扫描,找到最近的没有被使用的下标!

5. 怎样理解Linux下一切皆文件?

首先,底层不同的硬件如磁盘,显卡,键盘等一定对应了不同的操作方法,但这些设备的核心功能就是读写,也就是I/O.

操作系统会为每一个底层硬件创建struct file结构体,此结构体中一定包含了两个函数指针,分别指向这个硬件对应的读方法和写方法.

所以当我们使用键盘或打开显示器时，就会有对应的指针指向对应的那个方法。
所以当我们使用键盘时，0S就会去找到那个structfile，并且找到里面的方法调用。当我们从 struct file 的角度向上看时，就不用关心底层外设的差异了，操作它们的方法都是:read/write的函数指针，在上层我们看到是所有设备就叫做 一切皆文件!

6. 理解输出输入重定向

根据上面的推论,如果我先把1号描述符关闭了,再打开一个文件,它的描述符就应该是1,此时再进行输出会发现什么?

int main()
{close(1);int fd = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);printf("fd: %d\n",fd);fprintf(stdout,"hello fprintf,我是一号文件描述符\n");return 0;
}

两个现象,第一个确实如刚刚所说的新打开的文件的描述符就是1,并且此时使用printf输出也不会输出到屏幕使用fprintf向stdout也不会输出到屏幕而是输出到文件log.txt中.说明stdout只认文件描述符1,不管1此时还是不是标准输出,printf函数也是如此.

结论:重定向本质就是在OS内部修改fd对应的内容指向.

7. 重定向的系统调用

如果每次写重定向都要先关闭一个文件,再来操作未免有些麻烦了,可以直接使用系统调用dup或dup2函数.

我们一般都使用dup2,它的意思是把原本写入到newfile 文件的内容,重定向到 oldfile 文件中!最终和oldfd描述符是一样的。比如现在想把本来应该打印在显示器(1号描述符)的信息打印在log.txt中(3号描述符),应该这样使用:

open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
dup2(3,1);

8. 总结

文件描述符是学习Linux下I/O的关键,而基础IO的知识将会一直陪伴我们到学习Linux网络和高级IO,掌握文件描述符fd的本质对后续的学习至关重要!