Linux-文件描述符的本质及与文件指针的区别

文章参考：文件描述符的本质、文件描述符和文件指针的区别、文件描述符fd和文件指针flip的理解

推荐：task_struct 和文件系统的关系

系统中文件相关表

　　右侧的表称为i节点表，在整个系统中只有1张。该表可以视为结构体数组，该数组的一个元素对应于一个物理文件。

　　中间的表称为文件表，在整个系统中只有1张。该表可以视为结构体数组，一个结构体中有很多字段，其中有3个字段比较重要：

　　　　file status flags：用于记录文件被打开来读的，还是写的。其实记录的就是open调用中用户指定的第2个参数
　　　　current file offset：用于记录文件的当前读写位置（指针）。正是由于此字段的存在，使得一个文件被打开并读取后，下一次读取将从上一次读取的字符后开始读取
　　　　v-node ptr：该字段是指针，指向右侧表的一个元素，从而关联了物理文件。

　　左侧的表称为文件描述符表，每个进程有且仅有1张。该表可以视为指针数组，数组的元素指向文件表的一个元素。最重要的是：数组元素的下标就是大名鼎鼎的文件描述符，数组元素的值就是指向 File 结构体的指针。

系统调用时的操作

　　文件描述符的操作函数 open， 返回一个文件描述符，内核会在每个进程空间中维护一个文件描述符表，所有打开的文件都将通过此表中的文件描述符来引用。

　　　　新建一个i节点表元素，让其对应打开的物理文件（如果对应于该物理文件的i节点元素已经建立，就不做任何操作）；

　　　　新建一个文件表的元素，根据open的第2个参数设置file status flags字段，将current file offset字段置0，将v-node ptr指向刚建立的i节点表元素；

　　　　在文件描述符表中，寻找1个尚未使用的元素，在该元素中填入一个指针值，让其指向刚建立的文件表元素。最重要的是：将该元素的下标作为open的返回值返回。

　　文件描述符的操作函数 read（write，）根据传入的文件描述符，OS就可以找到对应的文件描述符表元素，进而找到文件表的元素，进而找到i节点表元素，从而完成对物理文件的读写。

　　而流操作函数 fopen， 返回的是一个FILE结构指针，FILE结构是包含有文件描述符的，FILE结构函数可以看作是对fd直接操作的系统调用的封装，它的优点是带有I/O缓存。

文件描述符和文件指针的概念一总

　　文件描述符：在linux系统中打开文件就会获得文件描述符，它是个很小的正整数。每个进程在PCB（Process Control Block）中保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每个表项都有一个指向已打开文件的指针。即已打开的文件在内核中用 File 结构体表示，文件描述符表中的指针指向 File 结构体。优点是兼容POSIX标准，许多系统调用都依赖于它；缺点是不能移植到unix之外的系统上去。

　　文件指针：C语言中使用文件指针而不是文件描述符做为I/O的句柄。文件指针指向进程用户区中的一个被称为FILE结构的数据结构。FILE结构主要包括一个I/O缓冲区和一个文件描述符。而文件描述符是文件描述符表中的一个索引，因此从某种意义上说文件指针就是句柄的句柄（在Windows系统上，文件描述符被称作文件句柄）。相当于在上图中最左侧又虚拟出一个 struct File，其中 struct 中有个元素是文件描述符，指向进程表项中的 fd 索引（自己的理解，不知道正不正确）。文件指针的优点是C语言中的通用格式，便于移植。

　　既然FILE结构中含有文件描述符，那么可以使用fopen来获得文件指针，然后从文件指针获取文件描述符，文件描述符应该是唯一的，而文件指针却不是唯一的，但指向的对象是唯一的。

进程与文件描述符

　　内核会在每个进程空间中维护一个文件描述符表, 所有打开的文件都将通过此表中的文件描述符来引用; 而流(如: fopen)返回的是一个FILE结构指针, FILE结构是包含有文件描述符的，FILE结构函数可以看作是对fd直接操作的系统调用的封装, 它的优点是带有I/O 缓存。

　　每个进程在PCB（Process Control Block）即进程控制块中都保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，文件描述表中每个表项都有一个指向已打开文件的指针，现在我们明确一下：已打开的文件在内核中用 FILE 结构体表示，文件描述符表中的指针指向 FILE 结构体。

fork 对文件描述符的影响

　　fork会导致子进程继承父进程打开的文件描述符，其本质是将父进程的整个文件描述符表复制一份，放到子进程的PCB中。因此父、子进程中相同文件描述符（文件描述符为整数）指向的是同一个文件表元素，这将导致父（子）进程读取文件后，子（父）进程将读取同一文件的后续内容。所以在创建守护进程时，都使用 close 关闭掉从父进程继承的文件描述符。

FILE的结构

struct _iobuf {
　　char *_ptr; //缓冲区当前指针
　　int _cnt; //文件的引用计数
　　char *_base; //缓冲区基址
　　int _flag; //文件读写模式
　　int _file; //文件描述符
　　int _charbuf; //缓冲区剩余自己个数
　　int _bufsiz; //缓冲区大小
　　char *_tmpfname;
};
typedef struct _iobuf FILE;

open和fopen的区别

　　open：返回一个文件描述符，无缓冲，与 write、read 配合使用

　　fopen：返回 File *，有缓冲，与 fwrite、fread 配合使用