01-文件IO

第2章　文件I/O

本章以及后续的3个章节将介绍文件相关的内容。UNIX系统主要是通过文件表示的，因此这些章节的探讨会涉及UNIX系统的核心。本章介绍了文件I/O的基本要素，详细阐述了最简单也是最常见的文件交互方式——系统调用。第3章基于标准C库描述标准I/O，第4章继续探讨更高级和专业的文件I/O接口。第8章以文件和目录操作为主题结束了文件相关的探讨。

在对文件进行读写操作之前，首先需要打开文件。内核会为每个进程维护一个打开文件的列表，该列表称为文件表（file table）。文件表是由一些非负整数进行索引，这些非负整数称为文件描述符（file descriptors，简称fds）。列表的每一项是一个打开文件的信息，包括指向该文件索引节点（inode）内存拷贝的指针以及关联的元数据，如文件位置指针和访问模式。用户空间和内核空间都使用文件描述符作为唯一cookies：打开文件会返回文件描述符，而后续操作（读写等）都把文件描述符作为基本参数。

文件描述符使用C语言的int类型表示。没有使用特殊类型来表示文件描述符显得有些怪异，但实际上，这种表示方式正是继承了UNIX传统。每个Linux进程可打开的文件数是有上限的。文件描述符的范围从0开始，到上限值减1。默认情况下，上限值为1 024，但是可以对它进行配置，最大为1 048 576。因为负数不是合法的文件描述符，所以当函数出错不能返回有效的文件描述符时，通常会返回-1。

按照惯例，每个进程都至少包含三个文件描述符：0、1和2，除非显式关闭这些描述符。文件描述符0表示标准输入（sdtin），1表示标准输出（stdout），2表示标准错误（stderr）。Linux C标准库没有直接引用这些整数，而是提供了三个宏，分别是：STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO。一般而言，stdin是连接到终端的输入设备（通常是用户键盘），而stdout和stderr是终端的屏幕。用户可以重定向这些文件描述符，甚至可以通过管道把一个程序的输出作为另一个程序的输入。shell正是通过这种方式实现重定向和管道的。

值得注意的是，文件描述符并非局限于访问普通文件。实际上，文件描述符也可以访问设备文件、管道、快速用户空间互斥（futexes）^[1]、先进先出缓冲区（FIFOs）和套接字（socket）。遵循一切皆文件的理念，几乎任何能够读写的东西都可以通过文件描述符来访问。

默认情况下，子进程会维护一份父进程的文件表副本。在该副本中，打开文件列表及其访问模式、当前文件位置以及其他元数据，都和父进程维护的文件表相同，但是存在一点区别：即当子进程关闭一个文件时，不会影响到父进程的文件表。虽然一般情况下子进程会自己持有一份文件表，但是子进程和父进程也可以共享文件表（类似于线程间共享），在第5章将对此进行更详细的介绍。