文件描述符
在Unix-like操作系统中，文件描述符（file descriptor）是一个用于标识打开文件或I/O设备的整数值。它是对底层文件系统的抽象，用于在应用程序和操作系统之间传递文件信息。
文件描述符是一个非负整数，通常是一个小整数。在C语言中，文件描述符被表示为int类型。
每个进程在其打开的文件或设备上都有一组文件描述符，它们是连续的、非重复的整数值。当一个文件或设备被打开时，操作系统会为该文件分配一个文件描述符，并将其返回给应用程序。
常见的文件描述符包括：
• 标准输入（stdin）：文件描述符为0，宏为STDIN_FILENO，通常用于接收应用程序的输入。
• 标准输出（stdout）：文件描述符为1，宏为STDOUT_FILENO，通常用于输出应用程序的结果。
• 标准错误（stderr）：文件描述符为2，宏为STDERR_FILENO，通常用于输出应用程序的错误信息。
应用程序可以使用文件描述符进行各种文件和I/O操作，例如读取文件内容、写入数据、关闭文件等。文件描述符作为操作系统和应用程序之间的桥梁，允许应用程序与文件系统和其他设备进行交互。
在Linux的世界里，一切设备皆文件。我们可以调用系统中 的 I/O函数，对文件进行相应的操作（ open()、close()、write() 、read() 等）。
打开现有文件或新建文件时，系统（内核）会返回一个文件描述符，文件描述符用来指定已打开的文件。这个文件描述符相当于这个已打开文件的标号。文件描述符是非负整数，是文件的标识，操作这个文件描述符相当于操作这个描述符所指定的文件。
程序运行起来后（每个进程）都有一张文件描述符的表，标准输入、标准输出、标准错误输出设备文件被打开，对应的文件描述符 0、1、2 记录在表中。程序运行起来后这三个文件描述符是默认打开的。
#define STDIN_FILENO 0 //标准输入的文件描述符
#define STDOUT_FILENO 1 //标准输出的文件描述符
#define STDERR_FILENO 2 //标准错误的文件描述符
在程序运行起来后打开其他文件时，系统会返回文件描述符表中最小可用的文件描述符，并将此文件描述符记录在表中。
最大打开的文件个数
Linux中一个进程最多只能打开NR_OPEN_DEFAULT（即1024）个文件，故当文件不再使用时应及时调用 close() 函数关闭文件。
• 查看当前系统允许打开最大文件个数：
cat /proc/sys/fs/file-max
• 当前默认设置最大打开文件个数1024
ulimit -a
• 修改默认设置最大打开文件个数为4096
ulimit -n 4096
16. 常用文件IO函数(以下均为系统调用)
Linux的man手册共有以下几个章节：
- Standard commands (标准命令)
- System calls (系统调用)
- Library functions (库函数)
- Special devices (设备说明)
- File formats (文件格式)
- Games and toys (游戏和娱乐)
- Miscellaneous (杂项)
- Administrative Commands (管理员命令)
使用系统调用函数依然是需要引入头文件的，要引入哪些可以通过man命令查看
man 2 命令
16.1 open函数
man 2 open
#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);
功能：打开文件，如果文件不存在则可以选择创建。
参数：pathname：文件的路径及文件名，可以是相对路径或绝对路径flags：打开文件的行为标志，用于指定文件的打开方式和操作选项。必选项O_RDONLY\O_WRONLY\O_RDWRmode：权限参数，用于指定新创建文件的访问权限，只有在使用O_CREAT标志创建文件时才有效。
返回值：成功：成功返回打开的文件描述符失败：-1
open()函数返回一个非负整数的文件描述符（file descriptor），用于后续对文件的读写操作。如果打开文件失败，函数返回-1，并可以使用errno全局变量获取具体的错误码。
flags详细说明
必选项：
| 取值 | 含义 |
|---|---|
| O_RDONLY | 以只读的方式打开 |
| O_WRONLY | 以只写的方式打开 |
| O_RDWR | 以可读、可写的方式打开 |
可选项，和必选项按位或起来
| 取值 | 含义 |
|---|---|
| O_CREAT | 文件不存在则创建文件，使用此选项时需使用mode说明文件的权限 |
| O_EXCL | 与O_CREAT一起使用，用于确保创建文件时文件不存在。如果同时指定了O_CREAT，且文件已经存在，则出错 |
| O_TRUNC | 如果文件存在，则清空文件内容 |
| O_APPEND | 写文件时，数据添加到文件末尾 |
| O_NONBLOCK | 对于设备文件, 以O_NONBLOCK方式打开可以做非阻塞I/O |
mode补充说明
- 文件最终权限：mode & ~umask
- shell进程的umask掩码可以用umask命令查看
Ø umask：查看掩码（补码）
Ø umask mode：设置掩码，mode为八进制数
Ø umask -S：查看各组用户的默认操作权限
| 取值 | 八进制 | 含义 |
|---|---|---|
| S_IRWXU | 00700 | 文件所有者的读、写、可执行权限 |
| S_IRUSR | 00400 | 文件所有者的读权限 |
| S_IWUSR | 00200 | 文件所有者的写权限 |
| S_IXUSR | 00100 | 文件所有者的可执行权限 |
| S_IRWXG | 00070 | 文件所有者同组用户的读、写、可执行权限 |
| S_IRGRP | 00040 | 文件所有者同组用户的读权限 |
| S_IWGRP | 00020 | 文件所有者同组用户的写权限 |
| S_IXGRP | 00010 | 文件所有者同组用户的可执行权限 |
| S_IRWXO | 00007 | 其他组用户的读、写、可执行权限 |
| S_IROTH | 00004 | 其他组用户的读权限 |
| S_IWOTH | 00002 | 其他组用户的写权限 |
| S_IXOTH | 00001 | 其他组用户的可执行权限 |
16.2 close函数
#include <unistd.h>
int close(int fd);
功能关闭已打开的文件
参数：fd: 文件描述符，open()的返回值
返回值：成功：0失败：-1, 并设置errno
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。
16.3 write函数
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
功能：把指定数目的数据写到文件（fd），将buf指向的数据写入到文件描述符fd所指向的文件或设备中。
参数：fd: 文件描述符，可以是标准输出（STDOUT_FILENO，值为1）、标准错误（STDERR_FILENO，值为2），或者是通过open函数打开的文件描述符。buf: 数据首地址，要写入数据的缓冲区的指针。count: 写入数据的长度（字节）
返回值：成功：实际写入数据的字节个数失败： - 1
write() 函数返回一个 ssize_t 类型的值，表示成功写入的字节数。返回值有以下几种情况：
• 如果返回值大于等于 0，则表示成功写入了指定字节数。
• 如果返回值为 -1，则表示发生了错误。此时，可以通过 errno 全局变量来获取具体的错误代码。
• 如果返回值为 0，则表示没有写入任何数据。这通常发生在写入到非阻塞文件描述符时，当写入缓冲区已满或遇到信号中断时。
需要注意的是，write() 函数可能不会一次性写入所有请求的字节数。在某些情况下，它可能会写入部分数据并返回写入的字节数。如果需要确保全部数据写入，可能需要多次调用 write() 直到写入的字节数达到预期。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>//write file
int main(void) {int fd=-1;int ret=-1;char *str="hello test";
//打开或者创建一个文件，返回文件描述符。文件名就叫做txtfd=open("txt",O_WRONLY | O_CREAT,0644);if(-1==fd){perror("open");return 1;}printf("fd=%d\n",fd);
//往文件中写入内容ret=write(fd,str,strlen(str));if (-1==ret){perror("write");return 1;}
//长度应该是hello test共10个char占10个字节printf("write len:%d\n",ret);close(fd);return 0;
}
16.4 read函数
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
功能：把指定数目的数据读到内存（缓冲区）。从文件描述符fd所指向的文件或设备中读取数据，并将其存储到buf所指向的缓冲区中。
参数：fd: 文件描述符，它可以是标准输入（STDIN_FILENO，值为0）、标准输出（STDOUT_FILENO，值为1）、标准错误（STDERR_FILENO，值为2），或者是通过open函数打开的文件描述符。buf: 内存首地址，用于存储读取数据的缓冲区的指针count: 读取的字节个数
返回值：成功：实际读取到的字节个数失败： - 1
read函数返回实际读取的字节数，如果返回值为0，则表示已到达文件末尾，如果返回值为-1，则表示出现错误。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>//read file
#define SIZE 128
int main(void) {int fd=-1;int ret=-1;char *str="hello test";//打开或者创建一个文件，返回文件描述符。文件名就叫做txtfd=open("txt",O_RDONLY);if(-1==fd){perror("open");return 1;}printf("fd=%d\n",fd);//读取文件中内容char buf[SIZE];memset(buf,0,SIZE);ret=read(fd,buf,SIZE);if (-1==ret){perror("read");return 1;}//长度应该是hello test共10个char占10个字节printf("read len:%d\n",ret);close(fd);return 0;
}
阻塞和非阻塞的概念
读常规文件是不会阻塞的，不管读多少字节，read一定会在有限的时间内返回。
从终端设备或网络读则不一定，如果从终端输入的数据没有换行符，调用read读终端设备就会阻塞，如果网络上没有接收到数据包，调用read从网络读就会阻塞，至于会阻塞多长时间也是不确定的，如果一直没有数据到达就一直阻塞在那里。
同样，写常规文件是不会阻塞的，而向终端设备或网络写则不一定。
【注意】阻塞与非阻塞是对于文件而言的，而不是指read、write等的属性。
以非阻塞方式打开文件程序示例：
#include <unistd.h> //read
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h> //EAGAINint main() {// /dev/tty --> 当前终端设备// 以不阻塞方式(O_NONBLOCK)打开终端设备，0 1 2进程启动就被占用了，所以最小fd为3int fd = open("/dev/tty", O_RDONLY | O_NONBLOCK);char buf[10];int n;n = read(fd, buf, sizeof(buf));if (n < 0) {// 如果为非阻塞，但是没有数据可读，此时全局变量 errno 被设置为 EAGAINif (errno != EAGAIN) {perror("read /dev/tty");return -1;}printf("没有数据\n");}return 0;
}
#include <stdio.h>
int main(void) {//阻塞char ch=-1;ch=getchar();putchar(ch);
}
16.5 lseek函数
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
功能：改变文件的偏移量
参数：fd：文件描述符offset：根据whence来移动的位移数（偏移量），可以是正数，也可以负数，如果正数，则相对于whence往右移动，如果是负数，则相对于whence往左移动。如果向前移动的字节数超过了文件开头则出错返回，如果向后移动的字节数超过了文件末尾，再次写入时将增大文件尺寸。whence：其取值如下：SEEK_SET：从文件开头移动offset个字节SEEK_CUR：从当前位置移动offset个字节SEEK_END：从文件末尾移动offset个字节
返回值：若lseek成功执行, 则返回新的偏移量如果失败， 返回-1
所有打开的文件都有一个当前文件偏移量(current file offset)，以下简称为 cfo。cfo 通常是一个非负整数，用于表明文件开始处到文件当前位置的字节数。
读写操作通常开始于 cfo，并且使 cfo 增大，增量为读写的字节数。文件被打开时，cfo 会被初始化为 0，除非使用了 O_APPEND 。
