Linux 文件(2)

1. 文件描述符

1.1 文件描述符是什么

什么是文件描述符呢？

我们先来看之前所介绍的系统级别的文件操作函数open：

在上图中，我们可以看到open有一个整型的返回值，而这个返回值，实际上就是文件描述符。

在Linux中，由进程打开文件，研究这些进程打开的文件，本质是研究文件与相应进程的关系。所以，在Linux中，会存在一个结构体用以描述文件：struct file。每一个被打开的文件，都会对应有一个struct file，这些struct file会被像双链表一样链接起来，就如task_struct一样。

而文件是由相应进程打开的，因此在描述进程的task_struct中，肯定要有记录其打开文件的变量，如下所示：

files这个指针指向一个files_struct的结构体，而在这个结构体中，存在一个指针数组，而这个指针数组中存放的就是一些struct file* 类型的变量，因此进程可以通过数组中存储的指针，找到其所打开的文件。

整体的关系可以如上图所示。

因此，文件描述符实质上就是上图中file* fd_array[]这个数组的下标。需要说明的是，操作系统识别进程打开的文件，是只通过这个文件描述符，即fd来识别的。

C语言中的FILE结构体用以描述文件，本质上是对struct file 的又一层封装，其中会存在文件描述符。

1.2 文件描述符如何分配

既然文件描述符就是数组的下标，那么文件描述符如何分派呢？

我们来看下面的测试程序：

上述程序的输出结果为：3。
这有点奇怪，数组下标不都是从0开始的吗？这说明，0,1,2下标处，肯定对应的是别的文件。

实际上，一个进程启动时，会默认打开三个文件：标准输入stdin，标准输出stdout和标准错误 stderr。这三个文件，分别对应的就是数组下标0，1，2。

实际上，文件描述符是这样来分配的：返回从数组下标0开始，往后找到的第一个为空的数组下标处，即作为相应的文件描述符。

我们可以来测试一下，将标准输入文件关闭掉，然后再打开一个文件，此时这个文件的文件描述符应为0。

我们同样可以验证，进程启动时会默认打开stdin stdout stderr这三个文件，并且分配文件描述符0,1,2.

上述程序的输出结果为：

特别地，在上述代码中，我们拿到这三个文件的文件描述符是通过C语言中FILE这个结构体得到的，而在Linux中，文件描述的结构体是struct file,由此可见，C语言不仅对操作系统的接口做了封装，对操作系统的数据结构也会做封装。

2 重定向

什么是重定向呢？
正常情况下，我们输入是从标准输入中读取，而输出则是向标准输出中输出。重定向的核心就在于，使得输入不再从标准输入中读，输出不再向标准输出中输出。

2.1 输出重定向

我们先来看下面的示例：

我们来看上述程序的运行结果：

很奇怪，并没有显示出我们想要打印出的字符串。
printf函数默认是向标准输出中打印，实质上，我们前面讲过，操作系统层面，识别进程打开的文件，仅通过文件描述符实现。C语言中的printf本质是对系统调用write的封装，而write写入到哪里，正是通过文件描述符进行判定的。

因此，printf实质上是对该进程中，文件描述符为1的文件中写入，虽然我们先关闭了标准输出文件，但是新打开的文件，自动分配了文件描述符1，因此此时就会向这个新打开的文件中写入了。

我们查看一下log.txt中的结果，进行验证：

2.2 输入重定向

输入重定向与输出重定向是类似的。
C语言中的scanf默认是从标准输入中读取，实际上是从文件描述符为0的文件中读取。

我们通过下述代码，实现输入重定向：

log.txt中的内容为hello linux，所以输入重定向读取一行字符串内容后，最终输出的结果也应为hello linux。

最终输出结果如下所示：

2.3 使用dup2进行重定向

重点关注上述的dup2函数，这是一个可以实现重定向的系统调用。其原理是，让 newfd 变为oldfd 的拷贝。
比如说，我们要实现输出重定向，如果使用dup2系统调用，就不用先关掉标准输出文件，而是直接让原本存储标准输出文件的下标1处，变为存储我们要重定向到的文件。

以下，是使用dup2进行输出重定向和输入重定向的代码示例：

输出重定向：

输入重定向：

3. 文件、父子进程和进程替换

我们知道，进程打开文件，进程与文件之间是存在紧密联系的。

父进程创建子进程，子进程会继承父进程的代码和数据，子进程的task_struct也几乎是对父进程的拷贝，那么对于父进程打开的文件，子进程如何看待呢？

子进程会继承父进程打开的文件，即一个文件会对应多个进程，某文件在父进程中是打开的，那么这个文件在相应的子进程中也是打开的。
并且，在描述文件的结构体内部，存在一个引用计数，当一个文件对应多个进程时，引用计数为所对应的进程数，当一个进程关闭该文件时，引用计数便会减去1，直到引用计数为0时，该文件才会真正关闭。这也是进程具有独立性的一种体现——一个进程关闭某文件，并不会影响另一个进程对该文件的打开。

那么，进程替换中，会影响进程打开的文件吗？
答案是，不会的。进程替换，实质上并未新创建进程，而是对当前进程的代码和数据进行替换，主要更改的是进程地址空间、页表和物理内存这三者中相关映射，而进程task_struct中的其余内容并未有什么变化。
因此，某个进程在进程替换前有怎样的文件关系，在进程替换后，依然又怎样的文件关系，这是不会发生变化的。