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OSLab文件描述符

发布时间:2020-12-14 01:21:17 所属栏目:Linux 来源:网络整理
导读:? 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

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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,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,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 = %dn",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 = %dn",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,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 = %dn",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,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,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 = %dn",fd[0],fd[1]);

????write(fd[1],strlen(str));

????read(fd[0],255);

????printf("buf = %sn",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,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:

(编辑:李大同)

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