Linux操作文件的底层系统调用,探究父子进程是否可以共享文件问题

linux操作系统奉行一切皆文件的理念，所有文件设备几乎都可以用一套系统调用即open()/close()/write()/read()等来操作。系统调用和C库调用操作文件类似。Linux自带的man手册是最权威的。通过查看man手册来查看系统调用用法。

代号 —— 代表的含义

• 1 —— 用户在shell环境下可操作/可执行的命令
• 2 —— 系统内核可调用的函数与工具
• 3 —— 一些常用的函数与函数库，大部分C的函数库
• 4 —— 设备文件的说明，通常是在 /dev下的设备
• 5 —— 配置文件或某些文件的格式
• 6 —— 游戏
• 7 —— 管理与协议等，例如Linux文件系统、网络协议等
• 8 —— 系统管理员可用的命令
• 9 —— 与Kernel有关的文件

注意，系统的头文件在Linux中一般存放在/usr/include目录下；下面包含的一些头文件有的带了sys，其实是include底下的子目录中的头文件

open（）——打开或者创建一个文件

返回值类型： int——文件描述符fd，每打开一个文件，就会得到一个文件描述符，这个文件描述符是整形的，我们通过文件描述符进行读写操作。

• 失败：-1
• 成功：>= 0，即文件描述符；
• mode_t是一个类型别名，实际上就是一个有符号的整数，对open函数而言，仅仅当创建新文件时才使用第三个参数

flag：打开标志

注意： 这些其实都是定义的一些宏，当需要使用到多个参数时，使用按位或“ | ”构成多个flag参数

也可跟随下面的方式一起使用：

其他不一一介绍，需要使用时自查。

write（）

返回值：

• 若成功为已经写入的字节数；
• 若出错为-1；

注意：计划写入的字节数和函数的返回值不相等时，表示写入出现了错误，可以用来检验写入是否成功；

参数：

• fd：写入文件的文件描述符；
• buf：存放待写数据的缓存；
• count：要求写入一次数据的字节数；

注意：

对于普通文件，写操作从文件的当前位移量处开始，若如果在打开该文件时，指定了O_APPEND选择项，则在每次写操作之前，将文件位移量设置在文件的当前结尾处。在一次成功写之后，该文件位移量增加实际写的字节数。

read（）

返回值 ：读到的字节数

• 若已到文件尾为0；若出错为-1；

参数

• fd：读取文件的文件描述符；
• buf：存放读取数据的缓存；
• count：要求读取一次数据的字节数；注意返回值是实际读到的字节数，二者并不相同；

注意：读操作从文件的当前位移量开始，在成功返回之前，该位移量增加实际读得的字节数（这个位移量是可以自己设置的）；

close（）

注意：当一个进程终止时，它所打开的文件都由内核自动关闭。

注：这些不带缓存的函数都是内核提供的系统调用；这正是和我们在C语言中学到的那些IO操作不同的地方，他们不是标准C的组成部分，但是POSIX的组成部分。

标准C对文件操作时都是通过对FILE的结构体指针进行操作的，而这里使用的是文件描述符。

文件描述符的范围是0——OPEN MAX，早期的Unix采用的上限为19（即允许每个进程打开20个文件），现在很多系统将即增加到63，Linux为1024，具体多少可以在<unistd.h>的头文件中查找。

文件描述符与文件指针

• FILE *fdopen(int fd,const char *mode)，将文件描述符转为文件指针；
• int fileno(FILE *stream)，将文件指针转换为文件描述符；

lseek函数

功能： 定位一个已打开的文件

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

• fd：已经打开的文件描述符；
• offset：位移量；
• whence：定位的位置，即基准点
• SEEK_SET：将该文件的位移量设置为距文件开始处offset个字节；
• SEEK_CUR：将该文件的位移量设置为其当前值加offset，offset可正可负；
• SEEK_END：将该文件的位移量设置为文件长度加offset，offset可正可负（此时若为正值，就涉及到空洞文件了，请看下面的讲解）；
• 返回值：**若成功则返回新的文件位移量（绝对位移量）**若出错为-1；定位到文件尾部时，可以返回文件的大小；
• lseek函数也可以用来确定所涉及的文件是否可以设置位移量，如果文件描述符所引用的是一个管道或者FIFO，则lseek返回-1，并将errno设置为EPLPE；

空洞文件示例：

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>

//生成空洞文件
char *buffer = "0123456789";

int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc < 2)
	{
		fprintf(stderr,"-usage:%s [file]\n",argv[0]);
		exit(1);
	}

	int fd = open(argv[1],O_WRONLY | O_CREATE | O_TRUNC,0777);
	if(fd < 0)
	{
		perror("open error");
		exit(1);
	}

	size_t size = strlen(buffer) * sizeof(char);
	//将字符串写入到空洞文件中
	if(write(fd,buffer,size) != size)
	{
		perror("write error");
		exit(1);
	}
	
	//定位到文件尾部的10个字节处
	if(lseek(fd,10L;SEERK_END) < 0)
	{
		perror("lseek error");
		exit(1);
	}
	//从文件尾部的10个字节处再写入字符串
	if(write(fd,buffer,size) != size)
	{
		perror("write error");
		exit(1);
	}
	close(fd)；
	return 0;
}

我们可以看到用more命令查看文件内容时，发现显示的内容只有一次写入的结果，用od

-c命令查看文件的ASSCI码，我们会发现在两次内容之间，有10个\0，这就是空洞，用vim打开该文件内容也可以看到，有10个^@符。

注：每个文件都有一个与其相关联的“当前文件偏移量”，它是一个非负整数，用以度量从文件开始处计算的字节数。通常读写操作都以文件当前偏移量处开始，并使得偏移量增加所读或所写的字节数。按系统默认，当打开一个文件时，除非指定O_APPEND选择项，否则该文件位移量被设置为0；

示例：

运行结果如下：

fd = 3的原因是：

系统内部PCB存在一个文件表，以记录打开的文件，文件描述符其实就是文件表的下标

• 0——FILE* stdin，标准输入
• 1——FILE* stdout，标准输出
• 3——FILE* stderr，标准错误输出
• 本程序已经默认打开了三个文件，fd排到第四个，所以编号为3

接下来进行文件读取

运行结果如下：

应用：利用读写对文件进行复制

首先声明：我们不区分文本文件还是二进制文件

完成对一个图片的复制，我们可以使用以下的方案：

• 先打开原来的二进制文件
• 打开一个新的文件
• 从原来的二进制文件中读取一部分写入新文件
• 反复读写
• 直到读完，写完就停止【read() == 0作为循环停止的条件，读不到就是读完了】
• 完成复制

复制完成

打开文件后，fork的子进程能否共享和父进程共享访问同一个文件？

我们每次打开文件以后，会在内核中产生struct file这样一个结构体，以表示打开的文件，记录着以下信息：

• 文件偏移量（起始从0开始，文件指针随着写入数据进行偏移）
• 引用计数（几个进程正在使用这个打开的文件）
• inode节点（存放进程的属性信息：谁创建了，名字是什么，在磁盘哪里存储。通过这个inode节点，我们才能找到对应的这个具体的文件）
• 打开方式：比如只读方式，只写方式打开

测试1：先打开文件再fork

close（fd）写在最外侧，父子进程都会关闭，每关闭一次，引用计数减1，直到为0。

运行结果如下：

原因如下：

测试2：先fork再打开文件

修改代码后，运行结果发生如下变化：

因为父子进程分离后，打开了各自的文件，产生了各自的struct file，不再共享文件偏移量。

在实际的应用场景中，我们更多地使用父进程打开的文件，子进程去访问这种形式。

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

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