文件描述符

什么是文件描述符

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，

指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。

当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。

在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。

但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

  习惯上，

     标准输入（standard input）文件描述符是  0

     标准输出（standard output）文件描述符是 1

     标准错误（standard error）文件描述符是  2

尽管这种习惯并非Unix内核的特性，但是因为一些 shell 和很多应用程序都使用这种习惯，因此，如果内核不遵循这种习惯的话，很多应用程序将不能使用。

POSIX 定义了 STDIN_FILENO  STDOUT_FILENO  STDERR_FILENO 来代替 0、1、2。

这三个符号常量的定义位于头文件 <unistd.h>

文件描述符的范围

文件描述符的有效范围是 [0,OPEN_MAX]

一般来说，每个进程最多可以打开 64 个文件（0 — 63）。

对于 FreeBSD 5.2.1、Mac OS X 10.3 和 Solaris 9 来说，每个进程最多可以打开文件的多少取决于系统内存的大小，int 的大小

以及系统管理员设定的限制。Linux 2.4.22 强制规定最多不能超过 1,048,576 。

文件描述符是由无符号整数（正整数）表示的句柄，进程使用它来标识打开的文件。

文件描述符与包括相关信息（如文件的打开模式、文件的位置类型、文件的初始类型等）的文件对象相关联，这些信息被称作文件的上下文。

如何创建文件描述符

进程获取文件描述符最常见的方法是通过本机子例程open或create获取或者通过从父进程继承。

后一种方法允许子进程同样能够访问由父进程使用的文件。

文件描述符对于每个进程一般是唯一的。当用fork子例程创建某个子进程时，该子进程会获得其父进程所有文件描述符的副本，

这些文件描述符在执行fork时打开。在由fcntl、dup和dup2子例程复制或拷贝某个进程时，会发生同样的复制过程。

对于每个进程，操作系统内核在u_block结构中维护文件描述符表，所有的文件描述符都在该表中建立索引。

文件描述符优点

文件描述符的好处主要有两个：
基于文件描述符的I/O操作兼容POSIX标准。
在UNIX、Linux的系统调用中，大量的系统调用都是依赖于文件描述符。
例如,下面的代码就示范了如何基于文件描述符来读取当前目录下的一个指定文件，并把文件内容打印至Console中。
此外，在Linux系列的操作系统上，由于Linux的设计思想便是把一切设备都视作文件。因此，文件描述符为在该系列平台上进行设备相关的编程实际上提供了一个统一的方法。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(void){ 
  int fd; 
  int numbytes; 
  char path[] = "file"; 
  char buf[256]; 

  // O_CREAT: 如果文件不存在则创建  O_RDONLY:以只读模式打开文件
  fd = open(path, O_CREAT | O_RDONLY, 0644);
  if(fd < 0){  
     perror("open()");
     exit(EXIT_FAILURE); 
  } 
 
  // 读取文件描述符，将结果保存到Buf变量
  memset(buf, 0x00, 256);
  while((numbytes = read(fd, buf, 255)) > 0){ 
    printf("%d bytes read: %s", numbytes, buf);
    memset(buf, 0x00, 256);
  } 

  close(fd);
  exit(EXIT_SUCCESS);
}

文件描述符缺点

在非UNIX/Linux操作系统上(如Windows NT)，无法基于这一概念进行编程。（windows是垃圾系统，可以无视）
由于文件描述符在形式上不过是个整数，当代码量增大时，会使编程者难以分清哪些整数意味着数据，哪些意味着文件描述符。（可读性差）

定义数量
如何在不同平台上定义文件描述符的数量.

文件描述符极限以及可分配给进程的最大大小由资源限制来定义。

这些值应当按照在WebLogicServer文档中建议的、特定于操作系统的文件描述符值来设置：

对于WLS8.1：调整硬件、操作系统和网络性能
对于WLS7.0：调整硬件、操作系统和网络性能
对于WLS6.1：调整硬件、操作系统和网络性能

Unix和Linux都有文件描述符。不过，二者的主要区别在于如何设置文件描述符的硬极限值、缺省值和配置过程。

Solaris  (SUN微系统公司开发的一种网络操作系统)

/usr/bin/ulimit实用程序定义允许单个进程使用的文件描述符的数量

它的最大值在rlim_fd_max中定义，在缺省情况下，它设置为65,536

只有root用户才能修改这些内核值

Linux
管理用户可以在etc/security/limits.conf配置文件中设置他们的文件描述符极限，如下例所示

softnofile1024
hardnofile4096

系统级文件描述符极限还可以通过将以下三行添加到/etc/rc.d/rc.local启动脚本中来设置：

#Increasesystem-widefiledescriptorlimit.
echo4096>/proc/sys/fs/file-max
echo16384>/proc/sys/fs/inode-max

Windows
在Windows操作系统上，文件描述符被称作文件句柄。在Windows2000服务器上，打开文件的句柄极限设置为16,384。此数量可以在任务管理器的性能摘要中监视。

HP-UX   (惠普9000系列服务器的操作系统)

nfile定义打开文件的最大数量。此值通常由以下公式来确定：((NPROC*2)+1000)，其中NPROC通常为：((MAXUSERS*5)+64)。如果MAXUSERS等于400，则经过计算得到此值为5128。

通常可以将此值设高一些。maxfiles是每个进程的软文件极限，maxfiles_lim是每个进程的硬文件极限。

AIX
文件描述符极限在/etc/security/limits文件中设置，它的缺省值是2000。此极限可以通过ulimit命令或setrlimit子例程来更改。最大大小由OPEN_MAX常数来定义。

解决方法
对于ANSI C规范中定义的标准库的文件I/O操作。ANSI C规范给出了一个解决方法，就是使用FILE结构体的指针。

事实上，UNIX/Linux平台上的FILE结构体的实现中往往都是封装了文件描述符变量在其中。

在UNIX/Linux平台上，对于控制台(Console)的标准输入，标准输出，标准错误输出也对应了三个文件描述符。它们分别是0,1,2。

在实际编程中，如果要操作这三个文件描述符时，建议使用<unistd.h>头文件中定义的三个宏来表示:

STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO以及STDERR_FILENO。

 

与文件描述符相关的操作

文件描述符的生成操作

open()
open64()
creat()
creat64()
socket()
socketpair()
pipe()

与单一文件描述符相关的操作

read()
write()
recv()
send()
recvmsg()
sendmsg()
sendfile()
lseek()
lseek64()
fstat()
fstat64()
fchmod()
fchown()

与复数文件描述符相关的操作

select()
pselect()
poll()

与文件描述符表相关的操作

close()
dup()
dup2()
fcntl(F_DUPFD)
fcntl(F_GETFD and F_SETFD)

改变进程状态的操作

fchdir()
mmap()

与文件加锁的操作

flock()
fcntl (F_GETLK, F_SETLK and F_SETLKW)
lockf()

与套接字相关的操作

connect()
bind()
listen()
accept()
getsockname()
getpeername()
getsockopt()
setsockopt()
shutdown()

文件描述符与文件指针的区别

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。

文件指针：C语言中使用文件指针做为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结构包括一个缓冲区和一个文件描述符。

而文件描述符是文件描述符表的一个索引，

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）。

fileno()函数

原型：int _fileno(FILE * stream);

功能：获取stream指定的文件流所使用的文件描述符

返回：文件描述符

头件：<stdio.h>

例子:

#include <stdio.h>
int main( void )
{
printf( "The file descriptor for stdin is %d
", _fileno( stdin ) );               //输出0
printf( "The file descriptor for stdout is %d
", _fileno( stdout ) ); 　　　　　　  //输出1
printf( "The file descriptor for stderr is %d
", _fileno( stderr ) ); 　　　　　　　 //输出2
}

#include <stdio.h>
int main(void)
{
FILE *fp;
int fd;
fp = fopen("/etc/passwd", "r");
fd = fileno(fp);
printf("fd = %d
", fd);
fclose(fp);
return 0;
}

fileno函数的实现

#define fileno(_p)((_p)->_file)  //_file是文件描述符，因为FILE结构体如下：

typedef struct {

int _cnt;
int __stdioid;

void *_lock;
char *__newbase;

unsigned char *_ptr;
unsigned char *_base;
unsigned char *_bufendp;

short _flag;
short _file;

} FILE;

isatty()函数

原型：int isatty(int desc);

返回：判断结果

功能：判断desc所表示的文件描述符是否为终端

例子：

#include <stdio.h>
#include <io.h>
int main(void)
{
int handle;
handle = fileno(stdout);
if (isatty(handle))
printf("Handle %d is a device type
", handle);
else
printf("Handle %d isn't a device type
", handle);
return 0;
}

自行实例

/*
 *
 *缓存机制
 *因为读取了13个字符，而hello world 只有12个字符
 *因此从缓冲区在取多一个读取，所以打印g
 *open用文件描述符来对文件或设备进行操作
 *fopen用文件流来对文件进行操作
 *fopen用 fileno将文件流转成文件描述符
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

#define SIZE 13

int main(){
   //char *p = "hello world";    /*char p[] = "hello world" */

  //char *p = (char*)malloc(20*sizeof(char));
  //p="hello world";

  //char *p = (char*)malloc(20*sizeof(char));
  //*p='c';

  //wrong: *p = "hello world";

  char *p = (char*)malloc(SIZE * sizeof(char));

  //read
  int fd =   open("test.cc",O_RDWR|O_CREAT);
  int fd =   open("test.cc",O_RDWR|O_CREAT);
  printf("fd = %d",fd);
  int read_num =  read(fd,p,SIZE);
  printf("read %d num string :%s
",read_num,p);

  //write
  p = "good morning";
  int write_num = write(fd,p,SIZE);
  printf("write %d num string:%s
",write_num,p);

  //fopen is file flow??
  FILE *pf = fopen("test.cc","r");
  fd = fileno(pf);   //file flow change to file descriptor;
  read_num = read(fd,p,SIZE);
  printf("fd = %d and read_string = %s
",fd,p);

  free(pf);

  return 0;
}

 [root@demon-pc ~]# ./a.out
fd = 3read 12 num string :hello world

write 12 num string:good morning
fd = 4 and read_string = good morning