1、文件描述符的引入

1.1 系统调用接口的引入

  不管是学习语言还是学习操作系统，IO流是我们学习过程中不可获取的一个阶段，在这一部分我们会学习打开文件、读写文件等操作，在C语言中我们打开文件调用的是C语言的库函数接口，像fopen打开，fclose关闭，fputs写入，fgets读取，这些都是在C中我们对文件进行操作的一些库函数，但是如果不允许使用库函数接口时我们应该怎么办？？？
  这时候我们就应该使用系统调用相关接口，我们首先要明确一个概念，C语言接口和操作系统接口是上下级的关系，任何一个语言，不管是C、C++、java、Python都有自己打开文件关闭文件读写文件的库函数，但是这些库函数的使用都是在Linux和Windows系统下进行的，所以任何语言的接口和系统接口是一种上下级的关系。
  在系统调用接口中，我们打开文件使用open、关闭文件close、写入write、读取read。那这些接口和C中库函数接口有什么联系呢？我们可以这样理解：C中调用得这些库函数底层一定封装了系统调用接口，可以认为fopen底层调用open，fclose底层调用close，fread底层调用read，fwrite底层调用write。我们在windows中打开文件，windows底层也有一套自己的windows相关的api系统接口，当我们在windows使用C的库函数时，C调用的就是windows下的系统接口。这样在语言层面上就实现了跨平台性。

1.2 文件描述符

  我们查看关于C语言中库函数和系统调用相关接口的使用手册。

  图中我们给出了C和系统调用的相关接口的使用手册，我们发现C中库函数的类型为FILE*，系统调用接口的类型为int。
  FILE*是文件指针，在C中打开一个文件，打开成功后会返回一个文件指针，该指针指向文件内容的起始地址，文件指针是C语言级别的概念；int fd本质是new file descriptor-文件描述符，文件描述符是系统级别的概念。

2、文件描述符

2.1 演示文件描述符

  光说不练假把式，我们写一份代码来实质性的感受一下文件描述符的概念。

图1 代码

图2 运行结果

  通过上图中，我们就可以观察到了fd的值，但是fd的值为-1，-1意思是这个文件不让我们创建不让我们打开，这是因为单纯的O_WRONLY是没有创建功能的，所以如果你想打开一个文件写入，并且文件不存在想创建的话需要扩加一个选项O_CREAT。

图1 代码

图2 运行结果

  其实OS系统的open接口的O_WRONLY+O_CREAT组合起来就是C语言接口中的w方式，因为他们是上下级的关系，所以fopen一定调用了open，即C语言中的w方式底层同时给open函数传入了两个参数：O_WRONLY+O_CREAT。

2.2 文件描述符的返回值

  刚才我们打开一个文件fd为3，那么我们创建多个是什么情况呢？

图1 代码

图2 运行结果

  我们发现返回值从3开始依次递增，有很强的规律性；而-1代表打开文件失败，那么012在哪呢？又代表什么？

  相信各位读者应该都听过一个概念，C语言程序会默认打开3个输入输出流，其中这三个输入输出流对应的名为stdin，stdout，stderr，文件类型为FILE*，而FILE*是C语言的概念，底层对应的文件描述符，其中stdin对应0，stdout对应1，stderr对应2，换言之012被默认已经打开了，再打开时就是从3开始打开了，所谓的文件描述符，本质其实就是数组下标。

2.3 文件描述符底层原理（重点）

  一个进程是可以可以打开多个文件的，无非就是多调用几次open，而我们的计算机中是同时存在大量进程的，而这些进程可能会打开各种各样的文件，所以系统中在任何时刻都可能存在大量已经打开的文件，操作系统的功能之一就是文件管理，就是要对这些打开的文件进行管理。
  而我们都知道，所谓管理就是先描述再管理，底层中描述文件的数据结构叫做struce file，一个文件对应一个struct file，大量的文件就有大量的struct file，我们只需将这些数据结构用双链表连接起来，所以对文件的管理就变成了对双链表的增删改查。而我们现在要做的，这些已经被打开的文件那些文件属于某个特定的进程，就需要建立进程和文件的对应关系。
  每一个进程都有一个task_strut，这个task_struct会指向一个struct files_struct结构体，这个结构体里会有一个指针数组struct file* fd_array[32]，而这个指针数组就是文件描述符对应的数组。

  既然是数组就有下标，下标从0开始依次递增，task_struct结构里会有一个指针变量指向这个struct files_struct结构体，我们这个指针数组中的每个数据都是一个指针变量。默认的3个文件+我们上面的例子中自己打开的log.txt，总共有4个文件描述符打开，这四个打开的文件描述符都对应一个struct file的结构体，结构体里有描述该文件属性的相关信息，而这些struct file文件结构体之间，是通过双链表的形式链接起来的。
  对于输入输出错误，将下标012分配给他们，自己打开的文件从3开始依次分配，当我们将下标和struct file结构体的指向关系表明清楚以后，open函数返回时，就会将下标数字直接返回给调用方，至此在应用层我们就拿到了文件描述符，至此我们就完成了文件和进程的对应关系。所以，所谓的文件描述符实际就是数组的下标。

2.3 文件描述符修饰规则

  文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。（其实就是将数组从上到下扫描，找没有被使用的）

3、总结

  通过上面的学习，我们知道了文件描述符就是一个小整数，Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0， 标准输出1， 标准错误2.；0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器。
  而每当我们打开一个新的文件时，系统就会将文件描述符对应的指针数组从上而下进行扫描，找到没有被使用的作为该文件的文件描述符。

Linux中，socket 也是被认为是文件的一种

window中，需要区分socket和文件

• 文件描述符：window中叫文件句柄；可以理解成分配的ID
• socket经过创建的过程中才会被分配文件描述符

文件操作

• 打开文件 int open(const char *path, int flag)，flag是打开的模式，多个模式用OR连接，返回的就是文件描述符。（#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>）
• 关闭文件int close(int fd)，这个同样可以关闭socket。(#include <unistd.h>)
• 将数据写入文件：ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);，(#include <unistd.h>)
• size_t 是 unsigned int，ssize_t 是 signed int

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读写文件操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>

void error_handling(char *message);

int main(void)
{
    int fd;
    char buf[] = "Let's go! \n";

    // 设置权限
    umask(0000);
    if(creat("data.txt", 0777) == -1)
        error_handling("creat() error\n");

    // 写入数据
    fd = open("data.txt", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC);
    if(fd == -1)
        error_handling("write open() error\n");
    printf("file descriptor %d\n", fd);

    if(write(fd, buf, sizeof(buf)) == -1)
        error_handling("write() error\n");
    printf("write over.\n");
    
    close(fd);

    // 读取数据
    fd = open("data.txt", O_RDONLY);
    if(fd == -1)
        error_handling("read open() error\n");

    char read_buf[100];
    if(read(fd, read_buf, sizeof(read_buf)) == -1)
        error_handling("read() error\n");
    printf("file data is %s\n", read_buf);

    close(fd);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    perror(message);
    exit(1);
}

注：

• 如果提示没有权限，可以参考 Permission denied: https://blog.csdn.net/aicamel/article/details/80922459，在创建文件的时候，设置权限
• 这些文件IO操作同样适用于socket
• 文件描述符从3开始，从小到大编号，因为0、1、2被分配给了标准IO描述符

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同时创建文件和套接字，打印出对应的文件描述符

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/stat.h>

void error_handling(char *message);

int main(void)
{
    int fd1, fd2, fd3;
    char *file_name = "data.dat";

    // 设置权限
    umask(0000);
    if(creat(file_name, 0777) == -1)
        error_handling("creat() error\n");

    fd1 = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    fd2 = open(file_name, O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC);
    fd3 = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    printf("file descripor 1: %d\n", fd1);
    printf("file descripor 2: %d\n", fd2);
    printf("file descripor 3: %d\n", fd3);

    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);

    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    perror(message);
    exit(1);
}

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其他：

• 常用的flag常量值：只读（O_RDONLY），只写（O_WRONLY），读写（O_RDWR），必要时创建文件（O_CREAT），删除现有数据（O_TRUNC），追加模式（O_APPEND）
• 0、1、2文件描述符分别是标准输入、输出、错误