GoDm@'s blog

作者说明 · 学习记录

本站作为作者的学习记录站，不保证文章内容严谨或完全正确。

版权信息

warning

本文章为博主原创文章。遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。

文件描述符：内核分发的身份证

在 Linux 系统中，文件描述符（File Descriptor，简称 FD）是一个核心概念，它是一个非负整数，用于唯一标识一个已打开的文件。这个文件可以是普通文件、目录、网络套接字（socket），甚至是设备（如键盘、显示器）。

文件描述符的设计主要有以下几个优点：

简化了 I/O 接口：无论是读写本地文件，还是进行网络通信，开发者都可以使用一套统一的系统调用（read, write, close 等），而无需关心底层的具体类型。这种“一切皆文件”的设计哲学是 Linux 简洁和强大的体现。
隔离了应用程序与内核：应用程序只知道一个简单的整数，而不需要知道文件在磁盘上的物理位置，也不用关心内核是如何管理文件的。所有复杂的操作都由内核在幕后完成。
管理系统资源：内核通过文件描述符表来管理每个进程打开的文件。当一个进程结束时，内核可以根据这个表自动关闭所有打开的文件，避免资源泄露。

文件描述符的几个重要特点：

唯一性：在一个进程中，每个打开的文件都有一个独一无二的文件描述符。
非负整数：文件描述符的值通常从 3 开始分配，因为 0、1、2 这三个描述符被系统预留给标准输入、标准输出和标准错误。
- 0：标准输入（stdin），通常是键盘。
- 1：标准输出（stdout），通常是显示器。
- 2：标准错误（stderr），也通常是显示器。
进程私有：文件描述符是在进程内部使用的，不同进程的文件描述符互不影响。例如，进程 A 的文件描述符 3 和进程 B 的文件描述符 3 可能指向完全不同的文件。

最基础的系统调用函数

Linux I/O 编程中常见的系统调用函数，这些函数位于 unistd.h（以及 fcntl.h 等）中，是用户态和内核态交互的基础接口。

1. `open`

#include <fcntl.h>    // open flags
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

作用

打开或创建一个文件，返回一个 文件描述符（fd，整数），后续 I/O 都依赖它。

参数

pathname：文件路径。
flags：打开方式，常用值：
- O_RDONLY：只读
- O_WRONLY：只写
- O_RDWR：读写
- O_CREAT：若文件不存在则创建，需要配合 mode 参数
- O_TRUNC：打开时清空文件
- O_APPEND：写时追加到文件尾部
- O_NOBLOCK：非阻塞模式
mode：创建文件时的权限（如 0666，受 umask 影响）。

返回值

成功：文件描述符（非负整数）
失败：-1，并设置 errno

2. `write`

1
2
3

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

作用

向文件（或设备）写入数据。

参数

fd：文件描述符
buf：要写入的数据缓冲区指针
count：要写入的字节数

返回值

成功：实际写入的字节数（可能小于 count）
失败：-1

注意

对于普通文件，通常会写入全部数据。
对于管道、socket 等，可能分多次写入，需要循环写。

3. `read`

1
2
3

#include <unistd.h>
  
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

作用

从文件（或设备）读取数据。

参数

fd：文件描述符
buf：存放读出数据的缓冲区
count：最大读取字节数

返回值

成功：实际读取的字节数
- 0 表示到达文件结尾 (EOF)
失败：-1

注意

实际读取字节数可能小于 count。
对于阻塞 I/O，如果没有数据，可能会挂起等待。

4. `lseek`

1
2
3

#include <unistd.h>  

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

作用

移动文件读写位置（文件指针）。

参数

fd：文件描述符
offset：偏移量（可正可负）
whence：偏移起始点
- SEEK_SET：从文件开头
- SEEK_CUR：从当前位置
- SEEK_END：从文件末尾

返回值

成功：新的文件偏移位置
失败：-1

注意

常用来实现随机读写。
对某些设备文件可能不支持（如管道）。

5. `close`

1
2
3

#include <unistd.h>

int close(int fd);

作用

关闭一个打开的文件描述符，释放内核资源。

参数

fd：文件描述符

返回值

成功：0
失败：-1

常见函数查找表

函数	头文件	功能	主要参数	返回值	常见用途
`open`	`<fcntl.h>`, `<unistd.h>`	打开或创建文件，返回文件描述符	`pathname`：路径`flags`：打开方式（如 `O_RDONLY`）`mode`：权限（如 `0644`，仅在 `O_CREAT` 时有效）	成功：文件描述符 (≥0)失败：`-1`	打开文件/设备，获得 `fd`
`write`	`<unistd.h>`	向文件写入数据	`fd`：文件描述符`buf`：数据缓冲区`count`：要写入字节数	成功：实际写入字节数失败：`-1`	向文件、管道、socket 写数据
`read`	`<unistd.h>`	从文件读取数据	`fd`：文件描述符`buf`：存放数据的缓冲区`count`：最大读取字节数	成功：实际读取字节数`0`：文件结尾失败：`-1`	读取文件、键盘输入、网络数据
`lseek`	`<unistd.h>`	改变文件读写位置（文件指针）	`fd`：文件描述符`offset`：偏移量`whence`：参考位置（`SEEK_SET`/`SEEK_CUR`/`SEEK_END`）	成功：新的偏移位置失败：`-1`	随机读写文件、获取文件大小
`close`	`<unistd.h>`	关闭文件描述符，释放资源	`fd`：文件描述符	成功：`0`失败：`-1`	程序结束或文件不再使用时关闭
`sync`	`<unistd.h>`	将内核缓冲区中所有修改过的数据（脏页）写入磁盘	无	无返回值	全局刷新，影响所有文件，效率较低
`fsync`	`<unistd.h>`	将指定文件的缓存数据强制写入磁盘	`fd`：文件描述符	成功：`0`，失败：`-1`	精确到单个文件，常用于数据库、日志写入
`pipe`	`<unistd.h>`	创建匿名管道，用于进程间通信	`int pipefd[2]`	成功：0，失败：-1	`pipefd[0]` 读端，`pipefd[1]` 写端
`unlink`	`<unistd.h>`	删除一个文件（目录用 `rmdir`）	`pathname`：文件路径	成功：0，失败：-1	实际删除在引用计数归零时发生
`access`	`<unistd.h>`	检查文件是否存在及权限	`pathname, mode`	成功：0，失败：-1	`mode` 可取 `R_OK, W_OK, X_OK, F_OK`

对比C 标准库IO操作

使用c标准库的IO操作，小量频繁读写的效率更高，因为其内部自带有缓冲区。
这可以理解为在系统IO上有封装了一层，进行文件操作时写入C自带缓冲区，满足一定条件再调用系统IO，将缓冲区的内容写入IO缓存区，再到内核的页缓存区，最后到物理的磁盘。

特性	Linux 系统调用 I/O	C 标准库文件操作
头文件	`<unistd.h>`, `<fcntl.h>`	`<stdio.h>`
函数示例	`open`, `read`, `write`, `lseek`, `close`	`fopen`, `fread`, `fwrite`, `fseek`, `fclose`, `fprintf`, `fscanf`
返回值	直接返回字节数、文件描述符等，或 `-1`	返回 `FILE*` 指针，或 `EOF` 等错误码
数据单位	以字节（byte）为单位	以缓冲区 / 结构化数据为单位（有缓冲机制）
缓冲	无用户态缓冲，直接在用户空间和内核空间间传递数据	带缓冲区（stdio 库内部维护缓存，加速小块读写）
层次	操作系统内核提供的底层接口	基于系统调用的封装库函数
灵活性	可操作普通文件、设备文件、socket、管道	主要操作普通文件和标准输入输出
可移植性	偏向 Unix/Linux 系统	跨平台（符合 ANSI C 标准，Windows/Linux 通用）
典型用途	驱动开发、系统编程、精确控制 I/O	应用层文件读写、文本处理、快速开发

文件描述符：内核分发的身份证

最基础的系统调用函数

1. open

作用

参数

返回值

2. write

作用

参数

返回值

注意

3. read

作用

参数

返回值

注意

4. lseek

作用

参数

返回值

注意

5. close

作用

参数

返回值