Linux中文件描述符fd與文件指針FILE*互相轉換實例解析

本文研究的主要是Linux中文件描述符fd與文件指針FILE*互相轉換的相關內容，具體介紹如下。

1.文件描述符fd的定義:文件描述符在形式上是一個非負整數。實際上，它是一個索引值，指向內核為每一個進程所維護的該進程打開文件的記錄表。當程序打開一個現有文件或者創建一個新文件時，內核向進程返回一個文件描述符。在程序設計中，一些涉及底層的程序編寫往往會圍繞著文件描述符展開。但是文件描述符這一概念往往只適用于UNIX、Linux這樣的操作系統。

2.文件指針FILE定義說明文件指針的一般形式為：

FILE *指針變量標識符；

其中FILE應為大寫，它實際上是由系統定義的一個結構，該結構中含有文件名、文件狀態和文件當前位置等信息。在編寫源程序時不必關心FILE結構的細節。

使用系統調用的時候用文件描述符的時候比較多，但是操作比較原始。C庫函數在I/O上提供了一些方便的包裝（比如格式化I/O、重定向），但是對細節的控制不夠。

如果過度依賴其中的一種只會徒增麻煩，所以知道兩者的轉換是很有必要的。FILE*是對fd的封裝

當然，有人會說知道文件路徑的話重新打開就是了，但是這會產生競爭條件（Race Conditions），首先重新打開文件，相當于是2個fd指向同一文件，然后如果在打開的期間文件被刪除了又被新建了一個同名文件，2個fd指向的便是不同的文件。

glibc庫提供了兩個轉換函數fdopen(3)和fileno(3)，都是<stdio.h>中的

FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
int fileno(FILE *stream);

PS：為了節省篇幅，還是繼續忽略返回值的檢查。

來看看測試吧，是不是我們想的那樣。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
  const char* filename = "new.txt";
  int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);

  FILE* fp = fdopen(fd, "w+");
  int fd2 = fileno(fp);

  printf("fd=%d | fd2=%d\n", fd, fd2);

  fclose(fp);
  close(fd);
  return 0;
}

$ gcc test.c 
$ ./a.out 
fd=3 | fd2=3

參考fileno手冊：

The function fileno() examines the argument stream and returns its integer descriptor.

FILE是對fd的封裝，fileno()是直接取得被封裝的fd，因此并未創建新的fd指向該文件。

參考fdopen手冊：

The fdopen() function associates a stream with the existing file descriptor, fd. The mode of
the stream (one of the values "r", "r+", "w", "w+", "a", "a+") must be compatible with the
mode of the file descriptor.

fdopen()是講流（FILE對象）與已存在的文件描述符fd進行關聯，因此也是未創建新的fd。值得注意的是，FILE指針的模式（mode）必須與文件描述符的模式兼容。

關于mode參數先擱置會兒，目前我們知道的是，使用fileno和fdopen進行轉換，都是在原有的fd上進行操作，并未產生新的fd。那么，再次審視剛才的代碼，是否發現了問題？

我們來檢查下close(fd)的返回值，把close(fd)改成下列代碼

  if (-1 == close(fd)) {
    perror("close");
    exit(1);
  }

$ gcc test.c 
$ ./a.out 
close: Bad file descriptor

沒錯，fclose在關閉文件指針的時候，內部其實也關閉了文件描述符（否則資源就泄露了），既然這里fp內部的文件描述符和fd是同一個，當fp被關閉時，fd也被關閉了，再次關閉fd就會出現“損壞的文件描述符”錯誤。

OK，現在回顧下fopen的第2個參數，又r/r+/w/w+/a/a+一共6種設置（windows平臺的rb/rb+/wb/wb+暫且不談），對比Linux手冊我將對應的open設置列出來

依然是進行測試，修改fd_mode和fp_mode，看看實驗結果

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

const int security = S_IRUSR | S_IWUSR;
const int fd_mode = O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC;
const char* fp_mode = "r";

int main()
{
  int fd = open("new.txt", fd_mode, security);
  FILE* fp = fdopen(fd, fp_mode);
  if (fp == NULL) {
    perror("fdopen");
    exit(1);
  }

  close(fd);
  return 0;
}

在fd_mode等價于"w+"時，fp_mode的6種設置（r/r+/w/w+/a/a+）均返回非空指針。

在fd_mode等價于"w"時，fp_mode6種設置只有"a"和"w"返回非空指針。

繼續嘗試"r"/"r+"/"a"/"a+"的設置，可以發現所謂“兼容”只與讀寫權限有關，O_RDWR兼容O_RDONLY和O_WRONLY，而后兩者則只與自身兼容。

有意思的是O_APPEND（在末尾添加）和O_TRUNC（截斷文件從頭添加）也兼容。

The file position indicator of the new stream is set to that
belonging to fd, and the error and end-of-file indicators are cleared. Modes "w" or "w+" do
not cause truncation of the file. The file descriptor is not dup'ed, and will be closed when
the stream created by fdopen() is closed.

繼續查看fdopen的手冊內容，可以看到"w"和"w+"在這里不會導致文件截斷。

后一句也印證了我們前面的實驗結果：文件描述符不會被復制，文件指針被關閉時文件描述符也會被關閉。

PS：其實fdopen的手冊上還有最后一句：The result of applying fdopen() to a shared memory object is undefined.

將fdopen用于共享內存對象的結果是未定義的。

總結

以上就是本文關于Linux中文件描述符fd與文件指針FILE*互相轉換實例解析的全部內容，希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續參閱本站其他相關專題，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對本站的支持！