【Linux】文件描述符fd
1.前置预备
- 文件 = 内容 + 属性
- 访问文件之前，都必须先打开他
#include
int main()
{
FILE* fp=fopen("log.txt","w");
if(fp==NULL)
{
perror("fopen");
return 1;
}
fclose(fp);
return 0;
} 把源代码编成可执行程序，并没有打开文件，当程序运行执行到fopen时，才被打开，fopen和malloc一样，都是运行时操作，
当访问一个文件时，是进程在进行访问，可是进程是在内存中被CPU调度，文件是在磁盘中的，
根据冯诺依曼，CPU不能直接访问到磁盘，所以，文件也必须被加载到内存中。
所以打开文件fopen，是在做什么？
把文件加载到内存中
进程 = 属性 + 内容，同样 ，文件 = 内容 + 属性，OS需要对进程进行管理，需不需要对加载到内存的文件进行管理呢？
必须要！！！
如果管理文件呢？
先描述，再组织，
在内核中，文件 = 文件的内核数据结构 + 文件的内容，
磁盘中，文件 = 文件属性 + 内容
结论：我们研究打开的文件，本质是在研究进程和文件的关系。
没有被打开的文件呢？在磁盘上
文件：
1.被打开的文件------加载到内存，
2.没有被打开的文件------磁盘
2.以“w”方式打开文件
先看用C语言打开一个文件，用"w"的方式打开一个文件log.txt，如果这个文件不存在，就新建，如果这个文件存在，则清空内容后打开，
在命令行上，可以通过 > 文件 。对一个文件进行操作，> 意思跟"w"一样，文件不存在则创建，存在则对内容进行清空， > 也叫输出重定向。
下面一段代码内容是文件不存在，新建然后进行数据插入：
#include
int main()
{
//'w'文件不存在新建
FILE *fp = fopen("./log.txt","w");
if(fp == NULL)
{
perror("fopen");
return 1;
}
const char *message = "hello file
";
int i = 0;
while(i<10)
{
fputs(message,fp);
i++;
}
fclose(fp);
return 0;
} 
下面一段代码是打开文件，然后关闭文件，不进行任何操作，会对文件内容进行清空：
#include
int main()
{
//'w'文件不存在新建
FILE *fp = fopen("./log.txt","w");
if(fp == NULL)
{
perror("fopen");
return 1;
}
// const char *message = "hello bit
";
// int i = 0;
// while(i<10)
// {
// fputs(message,fp);
// i++;
// }
fclose(fp);
return 0;
} 
3.以“a”方式打开文件
在命令行上，通过 >> 文件。对文件进行操作，>> 和“a”意思一样，对内容进行追加
先用“w”方式打开文件，每次执行该程序，都会先进行清空，无法进行追加：
#include
int main()
{
//'w'文件不存在新建
FILE *fp = fopen("./log.txt","w");
if(fp == NULL)
{
perror("fopen");
return 1;
}
char buffer[1024];
const char *message = "hello bit";
int i = 0;
while(i<10)
{
snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s:%d
",message,i);
fputs(buffer,fp);
i++;
}
fclose(fp);
return 0;
} 
这时可以用“a”方法进行打开文件，每次执行该程序，都会追加式的像文件进行插入：
#include
int main()
{
//'a'追加内容
FILE *fp = fopen("./log.txt","a");//append
if(fp == NULL)
{
perror("fopen");
return 1;
}
char buffer[1024];
const char *message = "hello bit";
int i = 0;
while(i<10)
{
snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s:%d
",message,i);
fputs(buffer,fp);
i++;
}
fclose(fp);
return 0;
} 
4.程序默认打开三个输入输出流
一个程序默认启动，会打开三个输入输出流，标准输入，标准输出，标准错误，在C语言中，底层硬件所对应的文件键盘与显示器，把他们包装成文件的样子，最后访问键盘显示器，就可以以文件FILE*指针的形式进行访问
总结：是进程会默认打开三个输入输出流
看看下面代码，把内容打印到显示器方法：可以通过stdout进行操作
#include
int main()
{
printf("hello word
");
fputs("bit
",stdout);
fwrite("aaaaa
",1,4,stdout);
fprintf(stdout,"bbbb
");
return 0;
} 2.文件管理
往显示器上显示，往磁盘文件打开或写入文件，读写键盘，本质上是访问硬件，我们用户在访问硬件，不可能直接通过语言进行直接访问硬件的，必须要通过操作系统，
我们使用的C接口，看起来是直接访问硬件，其实是通过操作系统提供的系统调用接口，才能访问到硬件，所以我们使用的C接口，底层一定要封装对应的文件类的系统调用！！
fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数 （libc）。
⽽ open close read write lseek 都属于系统提供的接⼝，称之为系统调⽤接⼝
1.open
现在我们来认识一下文件系统调用接口：我们操作文件，首先是要打开文件，系统调用open。
第一个参数是文件名，
第二个参数，实际上是一个32bit位，也就是一个位图
第三的参数，如果文件已经创建，就不需要带，如果文件没有被创建，就需要对文件进行权限赋值
我们通过下面一段代码来认识，位图参数的传递：
#include
#define ONE (1<<0)//1 000001
#define TWO (1<<1)//2 000010
#define THREE (1<<2)//4 000100
#define FOUR (1<<3)//16 001000
#define FIVE (1<<4)//32 010000
//code 1
void PrintTest(int flags)
{
//都为1才为1，只要有一个不为1，就为0
if(flags & ONE)
{
printf("one
");
}
if(flags & TWO)
{
printf("two
");
}
if(flags & THREE)
{
printf("three
");
}
if(flags & FOUR)
{
printf("four
");
}
if(flags & FIVE)
{
printf("five
");
}
}
int main()
{
printf("=====================
");
PrintTest(ONE);
printf("=====================
");
PrintTest(TWO);
printf("=====================
");
PrintTest(THREE);
printf("=====================
");
//只要两个操作数对应的位中有一个为1，那么结果位就为1。
PrintTest(ONE | THREE);
printf("=====================
");
PrintTest(ONE | TWO | THREE);
printf("=====================
");
PrintTest(ONE | TWO | THREE | FOUR);
printf("=====================
");
return 0;
} 
所以我们可以通过 | 的方式进行传递参数，通俗点意思就是说，| 两边条件都满足。
open函数第二个参数：
- O_RDONLY：以只读方式打开文件。
- O_WRONLY：以只写方式打开文件。
- O_RDWR：以读写方式打开文件。
- O_CREAT : 若⽂件不存在，则创建它。需要使⽤mode选项，来指明新⽂件的访问 权限
- O_TRUNC：如果文件已存在且成功打开，则将其长度截断为 0。
- O_APPEND：写入时将数据追加到文件末尾。
返回值： 成功：新打开的⽂件描述符 失败：-1
现在我们来使用一下open函数，第二个参数传递 O_WRONLY | O_CREAT，以只写方式打开，如果文件不存在则创建：
#include
#include
int main()
{
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建
open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
return 0;
} 
这里我们发现新创建的文件，他的权限是错乱的，那是因为我们调用系统接口时，新创建文件，需要给文件进行权限设置，而我们语言级接口fopen不需要，是因为底层对其进行了封装。
所以用系统调用接口时，新建文件，还要告诉新建文件默认的起始权限是多少！！！！也就是第三个参数传递，传递权限。
下面代码我们给文件进行权限赋值666，意思就是文件权限为rw-rw-rw-，r = 4 w = 2 x = 1.
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建
open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);
return 0;
}
此时我们就可以发现权限没有错乱，但同时又有一个问题第三方的全是为什么只要一个r？
因为系统里有个umask，他会默认屏蔽掉一些权限，系统的umask = 0002，结合666，就会编成664，所以文件的最终权限会结合umask值来进行最终确认。
我们在编写代码的时候，也可以进行设置umask值，如下代码所示：
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//不让系统屏蔽某些权限
umask(0);
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建
open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);
return 0;
}
对umask清0，最终文件权限就是是第三个参数传递的权限，对在代码中umask清0，并不会影响到系统的umask值。
1.每一个进程有一个umask值，表示创建文件umask权限，进程umask权限默认从系统中获得，但自己手umask权限，采用就近原则来直接使用用户的umask值
2.touch创建文件其实权限都是666，然后受umask影响编程664.
下面代码模拟实现touch：
#include
#include
#include
#include
//模仿touch
int main(int argc,char *argv[])
{
//不让系统屏蔽某些权限
//umask(0);
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建
open(argv[1],O_WRONLY | O_CREAT,0666);
return 0;
}
2.write
第一个参数传文件表示符，第二个参数传一个指向要写入的数据的缓冲区的指针，第三个参数表示写入的大小
3.read
第一个参数是文件标识符，第二个参数是一个指针，指向用于存储读取数据的缓冲区，第三个参数是该区域大小。
4.close
5.文件描述符fd
open返回值，成功时返回一个文件描述符，失败返回-1
现在我们看一下文件的返回值是多少，有什么用？
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//不让系统屏蔽某些权限
//umask(0);
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建
int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);
if(fd1<0)
{
perror("open");
return 0;
}
printf("fd1: %d
",fd1);
return 0;
}
此时文件标识符为3，为什么文件打开从3开始呢?
因为进程启动，默认打开了三个标准的输入输出流stdin,stdout,stderr,因为Linux下一切皆文件，这三个标准的输入输出流被当成文件打开了。
现在我们使用系统调用接口来进行文件写入，如下代码：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//不让系统屏蔽某些权限
//umask(0);
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建
int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);
if(fd1<0)
{
perror("open");
return 0;
}
printf("fd1: %d
",fd1);
const char *message = "hello word
";
write(fd1,message,strlen(message));
close(fd1);
return 0;
}
紧接着，我们只修改一个message指向的内容，原本文件内容不变：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//不让系统屏蔽某些权限
//umask(0);
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建
int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT,0666);
if(fd1<0)
{
perror("open");
return 0;
}
printf("fd1: %d
",fd1);
const char *message = "aaaaaa";
write(fd1,message,strlen(message));
close(fd1);
return 0;
}
因为在做操作时只告诉了写入，并没有告诉要清空，只覆盖在原来基础上进行覆盖式的写入！！！
所以我们再加个选项O_TRUNC,如果文件存在则进行先清空：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//不让系统屏蔽某些权限
//umask(0);
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建,如果存在则清空
int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
if(fd1<0)
{
perror("open");
return 0;
}
printf("fd1: %d
",fd1);
const char *message = "aaaaaa
";
write(fd1,message,strlen(message));
close(fd1);
return 0;
}
如果对该文件只进行了打开然后关闭不做写入：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//不让系统屏蔽某些权限
//umask(0);
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建,如果存在则清空
int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
if(fd1<0)
{
perror("open");
return 0;
}
printf("fd1: %d
",fd1);
const char *message = "aaaaaa
";
//write(fd1,message,strlen(message));
close(fd1);
return 0;
}
内容被清空了，这样O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC传参，最终作用就是和用fopen打开使用“w”方法一样，fopen使用“w”方法底层就是封装了这！！！
现在我们使用追加的形式进行写入：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//不让系统屏蔽某些权限
//umask(0);
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建,如果存在则清空
//int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
if(fd1<0)
{
perror("open");
return 0;
}
printf("fd1: %d
",fd1);
const char *message = "aaaaaa
";
write(fd1,message,strlen(message));
close(fd1);
return 0;
}
在上一个log.txt基础上进行内容的追加。
这样O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND传参，最终作用就是和用fopen打开使用“a”方法一样，fopen使用“a”方法底层就是封装了这！！！
fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数 （libc）。
open close read write lseek 都属于系统提供的接⼝，称之为系统调⽤接⼝
fopen fclose fread fwrite底层就是对open close read write进行了封装。
关于fd的问题：
我们连续打开几个文件，看看文件描述符是多少？
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//不让系统屏蔽某些权限
//umask(0);
//以只写方式打开，如果文件不存在则创建,如果存在则清空
//int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
int fd2 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
int fd3 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
int fd4 = open("log.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
if(fd1<0)
{
perror("open");
return 0;
}
printf("fd1: %d
",fd1);
printf("fd2: %d
",fd2);
printf("fd3: %d
",fd3);
printf("fd4: %d
",fd4);
const char *message = "aaaaaa
";
write(fd1,message,strlen(message));
close(fd1);
return 0;
}
观察到文件描述符从3开始依次创建！！！
而前面我们说到，0，1，2被键盘，显示器，显示器占用，又说过，这些硬件在底层被包装成文件的形式，同样，我们能不能通过0，1，2进行对键盘文件，显示器文件进行写与读呢？
看下面代码：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
const char *message = "hello write
";
write(1,message,strlen(message));
return 0;
}
我们通过write，直接向文件描述符1，进行写入message指向的内容，结果的确打印在屏幕上
我们再来看看下面调用read进行读：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//abcd
char buffer[128];
ssize_t s = read(0,buffer,sizeof(buffer));
if(s > 0)
{
//把回车改为0
buffer[s-1] = 0;
printf("%s
",buffer);
}
return 0;
}
我们键盘输入abcd，然后打印，发现的确从标识符0进行读取。
内核角度：
我们来从内核角度进行观察，当我们磁盘中有个文件log.txt包含内容+属性，当我们把程序进行加载，就变成了进程，OS为了对其进行管理，就有了PCB，CPU调度该进程，执行到open函数，此时打开文件，也就是把磁盘中文件加载到内存，加载到内存中，那么OS也要对其进行管理，先描述再组织，OS要为我们文件创建一个数据结构struct file，里面包含文件的属性，一个文件就对应一个struct内核对象，而进程启动时，会默认打开三个输入输出的文件，当我们打开了好几个文件，创建这些文件的struct file，然后为了方便管理，struct file里面包含一个struct file*的指针，通过这个指针就可以把这些文件以链表的形式进行管理起来，文件链表的形式。每创建一个文件，就链入该链表中进行管理，所以这样把对文件的管理，转换成对链表的增删查改，
而Linux内核以软件的一贯特性，进程管理和文件管理，这是两个单元的，他们两个不能是强耦合，必须是松耦合的！！！
所以我们现在就是要把进程和文件进行关联起来，我们进程是一个结构体对象，文件也是一个结构体对象，这就可以看成结构体与结构体直接的联系，一般情况下一个进程可以打开多个文件，1：n的形式
所以接下来，在我们task_struct中存在一个struct file_struct *files的结构，所指向的struct file_strct结构体对象里面存在一个很重要的成员变量struct file* fd_array[]。包含了一个指针数组。天然就具备下标0 1 2 3.....。然后把键盘文件，显示器文件，显示器文件填入进来，0 1 2就被他们三个给占用了后来我们调用接口open，打开文件，然后我们系统在查的时候在这个数组里面查0 1 2都被占用，3没有被占，然后加载打开这个文件，在内核中把这个struct file创建出来，把该结构体对象的地址填入到3号下标位置。
所以writr(3,message,strlen(message)),就是进程拿着3号描述符找到自己进程内部的
struct file_struct *files,然后找到struct file *fd_arryay[]然后找到3号下标对应的文件进行写入。
这个表叫做文件描述符表，这个表是构建了进程和文件之间的关系的一张表，每一个进程都有这一张表，双方通过指针来完成各个模块的关联和解耦！！！！
我们来打开内核源代码来看看到底是不是这回事
所以fd到底是什么？-----数组下标！！！
在系统里面 ，fd文件描述符是访问文件的唯一方式！！！
可是我们在C语言里用的全是文件流FILE *，而不是fd文件描述符？
所以什么是FILE？什么是FILE*？
这个是C语言给我们提供访问文件的一个东西，因为只能通过文件描述符进行访问，这个FILE是在C语言上封装的一个struct FILE，结构体对象，这个结构体里必定要有很多的属性，但这个属性里面肯定有一个对文件描述符进行封装的一个成员变量！！！
我们来看一下下面代码来进行验证：因为stdin，stdout，stderr是FILE*类型，所以用他进行指向一个成员变量_fileno，就可以看到文件描述符：
int main()
{
printf("stdin:%d
",stdin->_fileno);
printf("stdout:%d
",stdout->_fileno);
printf("stderr:%d
",stderr->_fileno);
return 0;
}
再来fopen打开一个文件：
int main()
{
printf("stdin:%d
",stdin->_fileno);
printf("stdout:%d
",stdout->_fileno);
printf("stderr:%d
",stderr->_fileno);
FILE *fp = fopen("log.txt","w");
printf("fp:%d
",fp->_fileno);
return 0;
}
这样就验证上述说法！！！
所以任你文件怎么办，OS只认文件描述符！！！
在C语言上，用到的函数都是对系统调用的封装！！！
不仅做了接口上的封装，还做了类型上的封装就是struct_file！！！
重新理解一切皆文件：
如果理解硬件为文件呢？
OS被称为软硬件的管理者，我们OS系统不光对软件进行管理，也要对硬件进行管理，先描述再组织，所以我们硬件也一定要是一个结构体。
在内核中肯定要有描述这些设备，每一个设备都有一个对应的strut device结构体对象，然后OS通过链表对这些结构体进行管理起来，对设备的管理就变成 对链表的增删查改，对于外设，属性类别一样，但是值可以不一样，对于这些外设最核心的动作就是IO，读写，每一种设备都要有查看内容的放入，最核心的方法就是读和写一个read方法和write方法。
输出一个结论，各个设备的属性可以统一设置成结构体，来体现设备的差异，但方法同样也是不一样的，虽然都叫读写。
对于外设有读写方法，比如键盘读写，显然读写方法没有，就可以把写方法设置为空。
所有的方法在底层实现上肯定是不一样的。
虽然他们方法底层实现不一样，所以Linux设计者，设计，当我们OS启动的时候，创建我们
struct file对象，我们struct file里面有，C语言结构体里面不能包含方法，但是可以包含函数指针：
我们可以让读指针指向底层的方法，写指针指向底层的方法，我们所对应的设备，在在内核中都创建对应的struct file，然后每个对应设备的struct file里面的函数指针指向对应的方法，站在struct file角度，我们要进行读写，我们压根就不需要关系底层实现方法，只要知道函数指针，就能找到底层方法！！！向上我们要访问任何一个硬件，统一叫做读和写等方法，不用关注底层实现，只需要调这个方法，他自动给我们找到底层实现方法。
struct file就想当于在软件层面进行了一次封装，在上层看来，一切皆文件，对上层来说只需要提供struct file就可以。只要找到struct file就可以找到底层的方法，
这套机制在Linux中被叫做VFS(virtual file system)(虚拟文件系统）。
这样在上层就看不到各个设备的差异了，所以一切皆文件！！！
所有用户的行为都会被转换成进程，无论启动读写等各种命令，所有行为都是进程，而我们站在进程角度，只需要拿文件描述符，找到对应的struct file，剩下的就不是进程的事情了，只要找到执行file中的方法，就可以完成对这些设备的操作。
所以进程角度，一起皆文件。
所以之前用的系统调用函数open，read，write，访问键盘显示器，都是调用底层设备对应
struct file中的函数指针对应的方法进行访问。
在上层一切皆文件，底层有各种设备，这种语系在C++当中，这种技术叫做多态！！！这也是C语言实现多态的方法！！！
补充：底层实现的这些方法全是在驱动程序里面！！！
打开内核源代码看看：
文本写入VS二进程写入
在计算机里，OS系统层面上只有二进制概念，语言层看起来可以文本写入，也可以二进制写入。
为什么我们语言喜欢做封装？（C/C++）
我们向显示器写12345，我写的是12345这个整数呢，还是’1‘’2‘’3‘’4‘’5‘字符？-----字符！
我们显示器我们给他叫做字符设备，有一个东西叫做ACSLL码表，写12345，实际上是这几个字符ACSLL码值二进制，这个二进程被我们显示器解释成12345字符
看下面两段代码：
int main()
{
char *message = "hello
";
write(1,message,strlen(message));
return 0;
}
int main()
{
int a = 12345;
write(1,&a,sizeof(a));
printf("
");
return 0;
}
把字符显示到显示器上，直接就是字符，把数字输入到显示器上，显示器是字符设备只认字符，只不过这样的字符转成我们对应的二进程，被显示器转换成字符’9‘’0‘。
所以我们在显示到显示器之前，我们给转换成字符，然后再进行显示，如下代码所示：
int main()
{
int a = 12345;
char buffer[1024];
snprintf(buffer,strlen(buffer),"%d",a);
write(1,buffer,strlen(buffer));
printf("
");
return 0;
}
这样才能把12345显示到显示器上 ，所以用系统调用是没办法直接把一个整数答应到显示器上，必须进行相关的转换，
所以我们为什么要有printf相关这样的函数呢？不是有write这样的接口呢？、
因为我们再很多的情况，我们需要把内存级的二进制数据转换成字符风格，通过write打印在显示器上，这个过程叫做格式化的过程。
如果在系统中只有系统调用，那么这个格式化的过程必须要我们手动自己设置，然后才能显示。
所以C语言提供一些printf，scanf等一系列接口函数，直接可以进行使用打印，因为在底层对格式化的过程进行了封装！！！
所以为什么我们C语言要给我们很多接口做封装？
1.方便用户进行操作
2.提高语言的可移植性
系统调用的接口类型设计成void*，所以 传过来字符串或者其他类型，你以为你传的是这些类型，在这些接口看来是二进制，因为是void*。
读到的数据，写到的数据，做转化，都是用户进行操作，然后C语言对其进行封装，用户就能直接使用。
为什么喜欢做封装？如果不是Linux平台，而是win或者macos平台？
如果是系统调用接口，那么换平台就不能运行的，如果是封装的接口，在Linux调Linux的系统调用接口，在win调win的接口，在什么平台就调什么平台的接口。
所以语言层，把我们与平台强相关的接口操作做封装，提高语言的可移植性。
在使用这些接口的时候，win和Linux或者其他平台提前给我们安装了一些东西，这个东西叫glibc的库，语言层使用的一些接口，在glibc中进行了封装，把库编成Linux版本的库，win版本的库等等
语言的可移植性性越高，这个语言就越流通！！！！
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