基础I/O和文件描述符
1. 编程语言读写文件
C语言文件操作
C语言提供了一系列的文件操作接口，比如 fopen、fread、fwrite 和 fclose 等。
#include <stdio.h>
FILE* fopen(const char* pathname, const char* mode);
int fclose(FILE* stream);
...
三个特殊文件
在C语言程序中，有三个默认打开的文件，它们分别是 stdin、stdout 和 stderr，对应着标准输入、标准输出和标准错误。
一切皆文件
Linux操作系统将键盘（或其他输入设备）抽象为可读文件，当用户输入时，操作系统从外设对应的文件进行读取；显示器屏幕抽象为可写文件，当程序向屏幕输出时，操作系统向这些设备对应的文件写入。
$ ls /dev/std*
/dev/stderr /dev/stdin /dev/stdout
Linux将一切外设（包括硬盘、键盘鼠标、摄像头、麦克风、显示器、网卡等）抽象为文件，位于 /dev 目录下。上面提到的 stdin、stdout 和 stderr 也位于这个目录下
从 stdin 文件进行读取数据，相当于 scanf 读取键盘（或其他输入外设）输入。同样的，对 stdout 文件进行写入数据，相当于 printf 向屏幕打印。
#include <stdio.h>
int main() {
char buf[1024];
fscanf(stdin, "%s", buf);
fprintf(stdout, "%s\n", buf);
return 0;
}
和普通文件一样，这三个特殊的文件也是可以被关闭的。
#include <stdio.h>
int main() {
fprintf(stdout, "hello 1\n");
printf("hello 2\n");
// 关闭标准输出
fclose(stdout);
fprintf(stdout, "hello 3\n");
printf("hello 4\n");
return 0;
}
关闭了 stdout，之后的屏幕打印操作都无法正常输出到屏幕上了。
hello 1
hello 2
2. 系统调用接口
系统调用
Linux操作系统提供了一系列文件操作的接口，它是原生的文件操作接口。通常情况下，任何上层的编程语言和应用程序，都需要使用这些接口操作文件。
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
int creat(const char *pathname, mode_t mode);
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, char* buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const char* buf, size_t count);
int close(int fd);
提供这些系统调用接口，可以简单模拟一下 printf 和 scanf 的行为。下面的代码可以接收用户输入的数据，并将数据回显在屏幕上。
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
char buf[1024] = {};
read(0, buf, 1023); // scanf("%s", buf);
write(1, buf, strlen(buf)); // printf("%s\n", buf);
return 0;
}
文件描述符
正如C语言使用 FILE 类型的指针标识一个文件，在Linux提供的系统调用接口中，使用文件描述符（File Descriptor，fd）标识一个文件。
文件描述符 fd 是一个非负整数，类型为 int，它的本质是一个数组下标。
对于上面的代码，可以在 /proc/ 下找到进程的 PID 对应的文件夹，其中有一个名为 fd/ 的目录，该目录下存放的是当前进程打开的文件描述符。
$ pidof main # 获取进程的PID
8256
$ ls /proc/8256/fd -l
lrwx------ 1 akashi akashi 64 8月 25 11:04 0 -> /dev/pts/9
lrwx------ 1 akashi akashi 64 8月 25 11:04 1 -> /dev/pts/9
lrwx------ 1 akashi akashi 64 8月 25 11:04 2 -> /dev/pts/9
可以看到这个目录下有三个文件 0、1 和 2，它们就是进程默认打开的 fd，分别对应C语言中的三个特殊文件 stdin、stdout 和 stderr。
fd_array
在Linux内核源代码，进程的PCB结构体 task_struct 中，定义了进程用于管理文件的结构体 files_struct。
struct task_struct {
...
struct files_struct* files;
...
}
在 files_struct 的最后，可以找到 fd 数组 fd_array 的定义。
struct files_struct {
...
struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
}
files_struct 结构体
struct files_struct {
/*
* read mostly part
*/
atomic_t count;
bool resize_in_progress;
wait_queue_head_t resize_wait;
struct fdtable __rcu *fdt;
struct fdtable fdtab;
/*
* written part on a separate cache line in SMP
*/
spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
unsigned int next_fd;
unsigned long close_on_exec_init[1];
unsigned long open_fds_init[1];
unsigned long full_fds_bits_init[1];
struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
};
之前提到的 0、1 和 2 号文件描述符，表示的都是的这个 fd_array 的下标索引。
open打开文件
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
open() 用于打开一个文件，成功并返回文件的 fd，失败时返回-1，它有以下的参数。
open的参数
pathname：和C语言的fopen()类似，用于指定要操作的文件的路径。可以是绝对路径也可以是相对路径。flags：用于指定操作的类型。它是一个位图结构，使用多个值时需要用按位或|运算符进行连接。O_RDONLY：以只读的方式打开。O_WRONLY：以只写的方式打开。O_RDWR：以读写的方式打开。O_APPEND：以追加的形式打开。O_CREAT：如果文件不存在，创建之。- 上面是一些常见的值，更多的值可以使用命令
man 2 open查看。
mode：文件创建时的权限，比如0644。
下面的代码可以创建一个文件 file.txt，并写入内容 hello。
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
int fd = open("file.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);
printf("Create file: fd = %d\n", fd);
write(fd, "hello", 5);
close(fd);
return 0;
}
编译执行程序，成功创建并写入了文件。
$ gcc main.c -o main
$ ./main
Create file: fd = 3
$ ls
file.txt main main.c
$ cat file.txt
hello
fd的分配
文件描述符从最小的没有被使用的下标分配。比如当 0、1 和 2 号文件描述符默认打开的情况下，新打开的文件描述符会默认分配为 3、4、5 …
使用下面的代码验证，先打开 3、4、5 号文件描述符，然后关闭 0 和 3，再打开两个文件描述符，观察现象。
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
int fds[3] = {};
const char* files[3] = {
"file1.txt",
"file2.txt",
"file3.txt"
};
// fd_array: 0 1 2 _ _ _ _ ...
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
fds[i] = open(files[i], O_CREAT | O_WRONLY);
printf("open fd: %d\n", fds[i]);
}
// fd_array: 0 1 2 3 4 5 _ ...
close(0);
close(3);
printf("close fd: 0 3\n");
// fd_array: _ 1 2 _ 4 5 _ ...
int fd1 = open("file4.txt", O_CREAT);
printf("open fd: %d\n", fd1);
// fd_array: 0 1 2 _ 4 5 _ ...
int fd2 = open("file5.txt", O_CREAT);
printf("open fd: %d\n", fd2);
// fd_array: 0 1 2 3 4 5 _ ...
return 0;
}
编译运行，程序的输出结果证明了 fd 是从没有被使用的最小的一个下标开始分配的。
$ ls
main.c
$ gcc main.c -o main
$ ./main
open fd: 3
open fd: 4
open fd: 5
close fd: 0 3
open fd: 0
open fd: 3
$ ls
file1.txt file2.txt file3.txt file4.txt file5.txt main main.c