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OSLab文件描述符

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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
  1. 找到文件对应的索引节点inode
  2. 分配一个file结构体
  3. file结构体的inode字段指向第1步的inode
  4. file结构体的文件访问位置字段初始化为0
  5. 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：