【Linux】进程IO|系统调用|open|write|文件描述符fd|封装|理解一切皆文件_业界新闻

发布时间:2024-07-28 22:04

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前言

各类语言的文件操作其实是对系统调用的封装

我们经常说，创建一个文件，或者打开一个文件，其实并不是我们用户本身创建，而是进程创建文件。文件是存储在磁盘上的，是硬件，像文件写入其实就是向硬件写入，而我们用户这一角色是没有权力直接写入的，操作系统(OS)是硬件的管理者，必须要通过OS写入；
但是，OS不相信任何人，只是提供了系统调用接口对外，想访问文件，就需要使用系统调用；而C/C++..语言都提供了这些系统调用的封装，为何要封装呢？跨平台性。

系统调用

open

打开一个文件，返回一个文件描述符，可以以flags形式打开文件

//2号手册 是系统调用（System Calls）  查找系统调用里面的open函数 man 2 open

pathname：表示文件的路径名，也可以是一个文件名；如果没有路径名，默认在当前文件下；
flags：表示打开文件的方式选项，参见选项有：
O_WRONLY:只写打开
O_CREAT：文件不存在时创建文件
O_RDONLY:只读打开
O_RDWR:读写方打开
O_APPEND:追加方式打开
O_TRUNC:清空文件,重新写入
mode：如果这个文件不存在，那么以写的方式打开的时候就会创建这个文件，在创建文件的时候需要给这个文件设定权限(使用八进制数)（会被umask影响）；
如果这个文件存在的话，那么就不用传第三个参数了，因为文件的权限已经确定了

参数flags

在open函数定义中，flags是以整形定义的，有32比特位，满足参数个数不固定的情况，以二进制形式传参；
实际上是一个32位二进制的位图，位图(Bitmap)是一种基于位操作的数据结构,用于表示一组元素的集合信息。位图中的每个二进制位都表示着某个元素是否在集合中。
比如宏O_WRONLY假设表示的是2即10（二进制），O_CREAT表示4，即100（二进制）。那么O_WDONLY|O_CREAT=110(二进制)。在open函数内部就会有相应的机制监测flags的二进制位哪些是1，再分别对应其代表的功能。

参数mode

表示一个四位八进制的数，取后三位来表示各个角色的权限；
例：0666，取666用二进制表示的就是110 110 110分别对应文件的拥有者、所属组、其他人的(other)权限。
如果当文件不存在时，就要设置该参数，不然就会出现权限处乱码

当新建一个文件时，一定要加上mode参数，来设置权限

umask默认为002，也就是过滤掉了“其他人”的w权限，所以得到的最终文件权限编码是664。
文件权限和权限掩码的关系：文件权限& (~umask权限掩码)

write

用于向文件中写入数据。通过指定文件描述符、数据来源的缓冲区地址和要写入的字节数;可以将数据写入到文件中。如果写入失败则返回-1，否则返回写入的字节数；

fd表示的是文件标识符
buf表示的是数据的地址;
对于系统调用来说，它并不在意写入的数据是什么类型的，它接收到的数据都是二进制的数字，然后按照字节为单位写入。
count表示的是字节数
返回值类型： ssize_t 类型表示有符号整型，输出格式为%ud.

追加方式

以追加方式写入，只需要在open(...)第二个参数中把O_TRUNC换成O_APPEND

read

用于从文件中读取数据。通过指定文件描述符、缓冲区地址和读取的字节数;
可以将文件中的数据读取到缓冲区中。
读取成功返回读取的字节数，否则返回-1.

int fd：打开文件时返回的文件描述符。
void* buf：从文件中读取的数据放在这个数组中，同样系统不管文件中的数据类型是什么，都是按字节放入这个数组中。
size_t count：要读取的字节个数。
ssize_t：读取了多少个返回多少。

使用只读方式打开(目标文件已经存在，open(...)中mode参数可以不用加入设置);
将读取的内容放在ch_arr数组中。

close

用于关闭一个文件描述符，释放系统资源。(也就是令struct file* fd_array[]对应下标fd指向空。)
在文件操作完成后，应该及时关闭文件描述符，以防资源泄漏。
关闭成功返回0,否则返回-1.

文件描述符

操作系统要管理文件，必定要让文件先加载到内存，然后先描述，再组织。内核中要有描述对应文件的结构体——也就是struct file；
struct file中最核心的数据可以分为3大类，属性，方法集，缓冲区。而文件描述符fd就存在属性当中。
文件是由进程发起创建的，而一个进程实际上是一个PCB(task_struct)，里面有一个结构体指针struct file_struct* files，指向了一个结构体。这个结构体中又有一个指针数组struct file* fd_array[N]；该指针数组存放了指向进程所打开文件的结构体下标，也就是文件描述符fd；

内核会返回一个小的非负整数。这个非负整数就叫做描述符，也叫文件描述符。文件描述符是用于唯一标识文件的号码。
进程实际上并不记录文件本身，而只需要记录一个为一个文件ID。所有被打开的文件的信息都被集中在一起被内核管理，内核向进程提供文件的接口。

打开多个文件并观察其文件描述符

创建的每一个进程开始的时候都有三个打开的文件：标准输入流（fd=0），标准输出流（fd=1），标准错误流（fd=2）。
这三个文件分别对应的硬件设备是键盘、显示器、显示器。
而这三个都是默认自动打开的

当进程打开文件时，会在struct file*数组中找到当前没有被使用的最小的下标，作为新的文件标识符。
如果在打开文件之前，把这个三个文件流关闭，那么就会自动分配到当前的最小下标。

C语言文件操作

C语言文件操作默认打开三个输入输出流，分别是stdin，stdout，stderr。

之前提到过，不同语言的文件操作不过是对系统调用的封装，这里发现C语言的返回值和系统调用open..返回值不一样，我们大胆猜测FILE是一种封装

打印输入输出流

可以发现，FILE结构体中是有文件描述符的。
文件描述符fd的分别规则是：从小到大，按顺序查找，将没有被占用的数组下标作为被打开文件的文件描述符fd值。

理解一切皆文件

这个文件可以理解成结构体

每一个硬件，操作系统都会维护一个struct file类型的结构体，硬件的各种信息都在这个结构体中，并且还有对应读写函数指针(对硬件的操作主要就是读写)。
每个硬件的具体读写函数的实现方式都在驱动层中，使用到相应的硬件时，操作系统会通过维护的结构体中的函数指针调用相应的读写函数。

站在操作系统的角度来看下层，无论驱动层和硬件层中有什么，在它看来都是struct file结构体，都是通过维护这个结构体来控制各种硬件。
站在操作系统的角度来看上层，无论用户层以及系统调用有什么，在它看来都是一个个进程，都是一个个的task_struct结构体，都是通过维护这个结构体来调度各个进程的。
真正的文件在操作系统中的体现也是结构体，操作系统维护的同样是被打开文件的结构体而不是文件本身。