Linux 文件I/O — 文件描述符详解

注：学习资源来自邢文鹏老师

文件描述符

一个进程默认打开3个文件描述符

STDIN_FILENO 0STDOUT_FILENO 1STDERR_FILENO 2

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新打开文件返回文件描述符表中未使用的最小文件描述符。

open函数可以打开或创建一个文件。

#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int open(const char *pathname, int flags);int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

返回值：成功返回新分配的文件描述符，出错返回-1并设置errno

在Man Page中open函数有两种形式，一种带两个参数，一种带三个参数，其实在C代码中open函数是这样声明的：

int open(const char *pathname, int flags, ...);

第三个参数mode指定文件权限，可以用八进制数表示，比如0644表示-rw-r-r–，也可以用S_IRUSR、S_IWUSR等宏定义按位或起来表示，详见open(2)的Man Page。
要注意的是，文件权限由open的mode参数和当前进程的umask掩码共同决定。

最后的可变参数可以是0个或1个，由flags参数中的标志位决定，见下面的详细说明。

pathname参数是要打开或创建的文件名，和fopen一样，pathname既可以是相对路径也可以是绝对路径。

flags参数有一系列常数值可供选择，可以同时选择多个常数用按位或运算符连接起来，所以这些常数的宏定义都以O_开头，表示or。

必选项：以下三个常数中必须指定一个，且仅允许指定
O_RDONLY 只读打开
O_WRONLY 只写打开
O_RDWR 可读可写打开

选项可以同时指定0个或多个，和必选项按位或起来作为flags参数。可选项有很多，这里只介绍一部分，其它选项可参考open(2)的Man Page：

• O_APPEND 表示追加。如果文件已有内容，这次打开文件所写的数据附加到文件的末尾而不覆盖原来的内容。

• O_CREAT 若此文件不存在则创建它。使用此选项时需要提供第三个参数mode，表示该文件的访问权限。

• O_EXCL 如果同时指定了O_CREAT，并且文件已存在，则出错返回。

• O_TRUNC 如果文件已存在，并且以只写或可读可写方式打开，则将其长度截断（Truncate）
  为0字节。

• O_NONBLOCK 对于设备文件，以O_NONBLOCK方式打开可以做非阻塞I/O（Nonblock I/O），非阻塞I/O在下一节详细讲解。

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open函数与fopen函数的区别

以可写的方式fopen一个文件时，如果文件不存在会自动创建，而open一个文件时必须明确指定O_CREAT才会创建文件，否则文件不存在就出错返回。

以w或w+方式fopen一个文件时，如果文件已存在就截断为0字节，而open一个文件时必须明确指定O_TRUNC才会截断文件，否则直接在原来的数据上改写。

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umask命令

补充说明一下Shell的umask命令。Shell进程的umask掩码可以用umask命令查看：

$ umask0002

用touch命令创建一个文件时，创建权限是0666，而touch进程继承了Shell进程的umask掩码，所以最终的文件权限是0666&022=0644。

$ touch file123$ ls -l file123-rw-rw-r-- 1 xingwenpeng xingwenpeng 0 9月11 23:48 file123

同样道理，用gcc编译生成一个可执行文件时，创建权限是0777，而最终的文件权限是0777 & 022 = 0755。

xingwenpeng@ubuntu:~$ umask0002xingwenpeng@ubuntu:~$ gcc main.cxingwenpeng@ubuntu:~$ ls -l a.out-rwxrwxr-x 1 xingwenpeng xingwenpeng 7158 9月11 23:51 a.out

我们看到的都是被umask掩码修改之后的权限，那么如何证明touch或gcc创建文件的权限本来应该是0666和0777呢？
我们可以把Shell进程的umask改成0，再重复上述实验：

$ rm file123 a.out$ umask 0$ touch file123$ ls -l file123-rw-rw-rw- 1 xingwenpeng xingwenpeng 0 9月11 23:52 file123$ gcc main.c$ ls -l a.out-rwxrwxr-x 1 xingwenpeng xingwenpeng 7158 9月11 23:52 a.out

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close函数关闭一个已打开的文件：

#include <unistd.h>int close(int fd);

返回值：成功返回0，出错返回-1并设置errno

参数fd是要关闭的文件描述符。
需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。
但是对于一个长年累月运行的程序（比如网络服务器），打开的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源。

由open返回的文件描述符一定是该进程尚未使用的最小描述符。由于程序启动时自动打开文件描述符0、1、2，因此第一次调用open打开文件通常会返回描述符3，再调用open就会返回4。

可以利用这一点在标准输入、标准输出或标准错误输出上打开一个新文件，实现重定向的功能。
例如，首先调用close关闭文件描述符1，然后调用open打开一个常规文件，则一定会返回文件描述符1，这时候标准输出就不再是终端，而是一个常规文件了，再调用printf就不会打印到屏幕上，而是写到这个文件中了。