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文件fd
一. 重新谈论文件
1. 共识的问题
在这篇正式开始之前，大家要有一些共识性的问题：
- 空文件也要在磁盘占据空间
- 文件 = 内容 + 属性
- 文件操作 = 对内容+对属性+对内容和属性的操作
- 标定一个问题，必须使用：文件路径+文件名【唯一性】
- 如果没有指明对应的文件路径，默认是在当前路径（进程当前路径）进行文件访问
- 当我们把fopen、fclose、fread、fwrite等接口写完之后，代码编译之后，形成二进制可执行程序之后，但是没有运行，文件对应的操作有没有被执行呢？没有，对文件的操作的本质是进程对文件的操作，因此没有运行不存在进程，所以不会被执行。
- 一个文件如果没有被打开，可以直接进行文件访问吗？不能！一个文件要被访问，就必须先被打开！（打开的方式：用户进程+OS）
那是不是所有磁盘的文件都被打开呢？显然不是这样！因此我们可以将文件划分成两种：a.被打开的文件；b.没有被打开的文件 。对于文件操作，一定是被打开的文件才能进行操作，本篇文章只会讲解被打开的文件。
- 文件操作的本质：进程和被打开文件的关系
2. 重谈C语言文件操作
2.1 概要
- 语言有文件操作接口、C++有文件操作接口，Java、Python、php、go、shell都有文件操作接口，他们实际上的底层都是相同的函数接口，因为都需要通过OS调用。
- 文件在磁盘上，磁盘是硬件，只有操作系统有资格访问，所有人想访问磁盘都不能绕过操作系统，必须使用操作系统调用的接口，即OS会提供文件级别的系统调用接口。
- 所以上层语言无论如何变化，库函数底层必须调用系统调用接口。
- 库函数可以千变万化，但是底层不变，因此这样能够降低学习成本—>学习不变的东西。
2.2 C语言文件实操
复习一下：下面fp按顺序对应以下三个操作依次：写入文件、打印文本信息、追加文本信息到文件中。
- 细节问题：以w方式单纯的打开文件，c会自动清空内部的数据。
对于C语言调用的fopen打开文件，实际上底层调用的是操作系统的接口open，其他语言也是这样，只不过语言级别的接口是多了一些特性，下面就看看：
man 2 open
对于flag标记位，一般来说对于C语言，一个int类型代表一个标记位，那如果要传10个标记位呢？对于整形来说，实际上有32个比特位，那是不是可以将每一个比特位赋予特定的含义，通过比特位传递选项，从而实现对应的标记呢？一定是可以的。因此在介绍open函数之前，先来介绍一下标记位的实现：
- 注意：一个比特位一个选项，不能重复。（标记位传参）
因此我们再看这个open函数，就明白了是什么含义，就是通过不同的flags，传入不同的标记位，那接下来看看open函数怎么用：
2.3 OS接口open的使用（比特位标记）
不废话，我们知道了上面用的头文件就直接开始使用了：
intopen(constchar* pathname,int flags )intopen(constchar* pathname,int flags,mode_t mode )
第一个函数是在文件已经存在的基础上使用的，如果不存在源文件，那么就需要用第二个函数，即第二个函数如果文件不存在就会自动创建文件。
这样就能创建出权限为0666的log.txt了。
fd的值也是有讲究的，这里看一下fd的值：
这个值暂时记住，下面将会讲到。
2.4 写入操作
对于C语言来讲，除了打开关闭，还有写入fwrite等函数接口，因此对于OS也存在一个接口：write
无论这个buf是什么类别，在OS看来都是二进制！至于这个类别是文本还是图片，都是由语言本身决定的。
下面开始：
可以看出，对于C语言中的w，封装了文件接口的标识符：
O_WRONLY(写)
、
O_CREAT(不存在就创建文件)
、
O_TRUNC(清空文件)
，以及权限。
2.5 追加操作
想要把清空变成追加，只需要将open内部的最后一个清空标识符改成追加的标识符：
int fd =open(FILE_NAME, O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
2.6 只读操作
将标识符换成读的标识符
int fd =open(FILE_NAME, O_RDONLY);
这就是以上接口：
open/close/write/read
，分别对应C语言的
fopen/fclose/fwrite/fread
，此外对于读还有lseek，对应C语言的fseek。
系统调用接口对应的C语言库函数接口openfopenclosefclosewritefwritereadfreadlseekfseek
即库函数接口是封装了系统调用接口的，所有语言的库函数都存在系统调用的影子。
二. 如何理解文件
- 文件操作的本质：进程和被打开文件的关系
1. 提出问题
进程可以打开多个文件，那是不是意味着系统中一定会存在大量的被打开的文件，被打开的文件要不要被操作系统管理起来呢？答案是一定的。
那么OS如何管理呢? 先描述，再组织。因此操作系统为了管理对应的打开文件，必定要为文件创建对应的内核数据结构标识文件：
struct file{}
(包含了文件的大部分属性) 因此将结构体链式链接，通过找到链表的首地址从而实现对链表内容的增删查改。
同时创建多个文件并打印其返回值：
- 为什么从3开始，0、1、2呢？
- 连续的小整数->数组->数组下标
在回答这个问题之前，我们需要了解三个标准的输入输出流：stdin，stdout，stderr!
FILE* fp =fopen();
这个FILE实际上是一个结构体，而对于上面的三个输入输出流，实际上也是FILE的结构体：
对于这个结构体必有一个字段–>文件描述符，下面就看一下这个文件描述符的值是什么：
2. 文件描述符fd
- 通过对open函数的学习，我们知道了文件描述符就是一个小整数，即open的返回值
因此这也就解释了为什么文件描述符默认是从3开始的，因为0，1，2默认被占用。我们的C语言的这批接口封装了系统的默认调用接口。同时C语言的FILE结构体也封装了系统的文件描述符。
那为什么是0,1,2,3,4,5……呢？下面就来解释：
PCB中包含一个files指针，他指向一个属于进程和文件对应关系的一个结构体：
struct files_struct
，而这个结构体里面包含了一个数组叫做
struct file* fd _array[]
的指针数组，因此如图前三个0、1、2被键盘和显示器调用，这也就是为什么之后的文件描述符是从3开始的，然后将文件的地址填入到三号文件描述符里，此时三号文件描述符就指向这个新打开的文件了。
再把3号描述符通过系统调用给用户返回就得到了一个数字叫做3，所以在一个进程访问文件时，需要传入3，通过系统调用找到对应的文件描述符表，从而通过存储的地址找到对应的文件，文件找到了，就可以对文件进行操作了。因此文件描述符的本质就是数组下标。
而现在知道，文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files, 指向一张表files_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件
三. 文件fd的分配规则
直接看代码:
#include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>intmain(){int fd =open("myfile", O_RDONLY);if(fd <0){perror("open");return1;}printf("fd: %d\n", fd);close(fd);return0;}
输出发现是
fd: 3
关闭0或2，再看
#include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>intmain(){close(0);//close(2);int fd =open("myfile", O_RDONLY);if(fd <0){perror("open");return1;}printf("fd: %d\n", fd);close(fd);return0;}
发现是结果是：
fd: 0
或者
fd 2
因此，我们知道了，文件fd的分配规则就是将这个array数组从小到大，按照循序寻找最小的且没有被占用的fd，这就是fd的分配规则。
四. 重定向
1. 什么是重定向
对于上面的例子，我们关闭了文件描述符0和2对应的文件吗，那么如果关闭1呢？
#include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<stdlib.h>intmain(){close(1);int fd =open("myfile", O_WRONLY|O_CREAT,00644);if(fd <0){perror("open");return1;}printf("fd: %d\n", fd);fprintf(stdout,"fd :%d\n", fd);//与上面打印是一样的功能close(fd);return0;}
根据上面讲到的文件描述符的分配规则，这段代码我们按照顺序进行解释:
首先关闭文件描述符1所对应的stdout(标准输出：输出到显示器)，然后通过f分配，这个文件的fd会从小到大扫描发现1的位置没有被使用，于是就会将这个新创建的文件myfile与对应的指针进行连接：
因此当我们的printf以及fprintf打印到stdout时，由于上层的文件描述符stdout对应的还是1，就会在内核中找到array[1]中对应的文件进行操作，但此时1对应的已经不是标准输出到显示器，而是myfile文件，因此我们在打印时也就不会在显示器中看到fd的值，而是在myfile文件中。
那我们来看看是不是这样：
在log.txt没有打印是由于缓冲区的问题，在fprintf的下面加上：
fflush(stdout);
再看看：
即当所有现象都符合我们的预期时，这种现象就是重定向。
- 重定向的本质：上层用的fd不变，在内核中更改fd对应的
struct file*的地址。
常见的重定向有:>（输入）, >>（追加）, <（输出）。
2. dup2 系统调用的重定向
在上面演示的无论是分配规则还是重定向，直接以close关闭的操作非常的挫，因为这样的close操作不够灵活，所以现在介绍一个系统调用的重定向接口：
dup2
intdup2(int oldfd,int newfd);//newfd的内容最终会被oldfd指向的内容覆盖
- dup2的返回值也就是fd的文件描述符，失败返回-1
那就来演示一下刚才的功能：打印到文件里
可以发现，这样操作简化了刚才的操作，另外，fd的值也不会被改变。
输出重定向演示完了，那我们就可以实现我们刚才提到的三个重定向剩下的追加、输入重定向了。
1. 追加重定向
2. 输入重定向
上面是从键盘中读取，如果不想从键盘读，我们可以重定向到向指定文件中读取：
3. 理解：>、>>、<
在之前的学习中，我们模拟过shell部分功能的实现，在这里为了理解这三个常见的重定向，用shell模拟实现这三个重定向：代码链接：lesson18/myshell/myshell.c · 每天都要进步呀/Linux - 码云 - 开源中国 (gitee.com)
此外，这几个常见的重定向的使用方法：文章链接
- 注：文件是共享的，不会因为进程不同而权限不同，因为文件是磁盘上的，与进程之间是独立的。即当子进程被创建并且发生写时拷贝时，原来的文件并不会再次被拷贝一次。
五. 如何理解Linux一切皆文件
一张图描述：
即我们利用虚拟文件系统就可以摒弃掉底层设备之间的差别，统一使用文件接口的方式进行文件操作。
文件的引用计数：(1条消息) Linux文件引用计数的逻辑_sherlock-wang的博客-CSDN博客
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