深入理解Linux文件描述符

一、前言

 在上一篇博客中，我们初步学习了Linux文件操作的系统接口，不难发现的是，这些系统函数都与文件描述符密切相关：open函数返回值是一个文件描述符，write函数、read函数、close函数都是对于 文件描述符 进行操作。

 这让我们不禁思考，文件描述符到底是什么东西呢? 先上结论，文件描述符本质就是数组下标。此时的你肯定会有不少困惑，且看下文我为大家细细展开。

二、Linux标准文件描述符

[问题一]：为什么为什么打开文件时，fd总是从3开始? 0,1,2分别是什么?

 
直接上结论：fd = 0~2的标准文件是默认被打开的，分别表示为

• 0：标准输入 → 键盘
• 1：标准输出 → 显示器
• 2：标准错误 → 显示器

口说无凭，我们用代码来验证上面的结论：

1. 从标准输入中直接读取数据
   
2. 向标准输入中写入数据
   

[总结一]：

1. fd = 0~2的文件分别对应着标准输入、标准输入和标准错误
2. 标准文件是默认被打开的，因此 fd 总是会从3开始增加（除非手动关闭标准文件）

 

三、文件描述符与FILE结构体的关系

 FILE是C语言定义的文件结构体，里面包含了各种文件信息。可以肯定的一点是，FILE结构体内一定封装了 fd 。为什么?来看接下来的思路分析：
 
1.使用系统接口的必然性
 文件存储在磁盘上，属于外设。谁有权限访问外设呢?只有操作系统。因为操作系统对上要提供稳定的服务，对下要管理好各种软硬件资源。
 如果文件操作能绕开操作系统，那么操作系统怎么知道某个文件到底有没有被创建，有没有被销毁呢，还怎么给你提供稳定的服务呢?基于上述简单的认识，我们不难理解，要想访问硬件资源，就必须通过操作系统。
 而操作系统出于安全性和减少使用成本的角度考虑，是不相信任何人的。就像银行一样，不会将金库直接向大众开放，而是只会有几个业务窗口为大家提供服务。操作系统也是这样，操作系统提供的窗口就是系统接口。
 至此通过我们的逻辑推演，我们已经可以得出以下的结论：要想访问外设就必须使用操作系统提供的系统接口。所以C语言的各种文件操作函数本质就是对系统接口的封装
 
2.FILE结构体封装fd的必然性
 C语言的文件操作都是系统统接口的封装，而系统接口的使用只认fd,因此FILE结构体中必然会封装fd
 
​ 验证的方法也很简单直接：

 

四、进程与文件的映射关系

在理解两者的关系之前，我们首先来回答几个问题，让大家有基础的认识：

[问题二]：打开的本质是什么?
 答：本质是将文件加载到内存。为什么要加载到内存?这是由冯诺依曼体系决定的
 
[问题三]：打开文件、访问文件、关闭文件，都是谁在操作?
 答：这些操作都是我们调用函数完成的，难道说是我们操作的吗?哈哈这样想就单纯了。当我们编译生成可执行文件的时候，有进行文件操作吗?答案显然是没有。我们的程序文件只有在运行起来的时候才会执行相应的代码，然后才会执行相应的文件操作。所以说这些操作本质都会由进程完成的。所以文件操作本质上是进程和打开的文件的联系。
 
[问题四]：OS如何管理大量的文件呢?
 答：当文件被打开时，文件是存在于内存中的，因此内存中当然会存在大量的文件。操作系统要不要管理这些文件呢?答案是肯定的。如何管理呢?显然是是先描述后组织的设计思想：
 一个文件被打开，在内核中就要创建对应的内核数据结构struct file（先描述），然后通过链表的方式将各个文件组织起来（后组织）。伪代码形式如下：

struct file
{
   // 文件内容和属性成员变量
   struct file* next；
   struct file* prev；
}
1
2
3
4
5
6

 有了上述的基本认识之后，我们基于Linux 内核源码，再来具体谈谈进程与文件的映射关系：

进程控制块 task_struct 中有一个类型为 files_struct 的文件指针，files _struct ：


 在 files_struct 有一个成员类型为 file* 的指针数组，数组中的每个指针变量就对应着被该进程打开的文件。所以 fd 本质上就是 fd_array 数组的下标 。file*结构体表示文件的各种基本信息。
 在用这样一张图来为大家梳理思路：

[问题五]：文件描述符的分配规则
 答：从头遍历fd_arr数组，找到一个最小的没有被使用的下标，分配新的文件。如果我们手动将 fd = 1 的文件关闭，那么新创建文件的 fd 就等于1。