2.1 系统角度#

• 操作系统的磁盘管理者 → 文件读写必须通过系统调用。

• 对文件的操作本质是进程对文件的操作。

• C/C++ 库函数（fopen/fclose/fread/fwrite）是对底层系统调用的封装，目的是提高可移植性和开发效率。

2.2 文件分类#

• 磁盘级文件：尚未被打开，存储在磁盘上。

• 内存级文件：已被进程打开，内核为其维护数据结构。

2.3 访问文件的流程#

访问文件前必须先打开文件 → 由进程发起 open 系统调用 → 内核将文件加载到内核缓冲区，并返回文件描述符。

3.1 标准输出流与重定向#

• 标准输出（stdout）：文件描述符为 1，是程序默认的输出流，通常指向终端。
• 重定向：通过 shell 操作符可以将标准输出指向其他文件（如 >、>>），实现输出的重新定向。

  1
  ./a.out > log.txt          # 将 stdout 重定向到 log.txt
  2
  ./a.out >> log.txt         # 追加模式

• 为什么需要标准输出流？ 提供统一的输出接口，使得程序可以独立于具体输出设备终端、文件、管道等），printf、cout 等函数默认使用 stdout；perror、cerr 使用标准错误（stderr）。

3.2 文件描述符操作与重定向的底层实现#

可以通过关闭文件描述符 1，然后打开新文件，使新文件自动获得描述符 1，从而实现重定向。

1
#include <stdio.h>
2
#include <unistd.h>
3
#include <fcntl.h>
4
#include <string.h>
5

6
int main() {
7
    close(1);   // 关闭标准输出
8
    int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);
9
    // fd 此时为 1，因为最小可用描述符是 1
10

11
    printf("hello printf\n");          // 写入 log.txt
12
    fprintf(stdout, "hello fprintf\n"); // 写入 log.txt
13
    const char *msg = "hello write\n";
14
    write(fd, msg, strlen(msg));       // 直接通过 fd 写入
15

16
    return 0;
17
}

• 注意：如果不先 close(1)，新打开的文件描述符不会是 1，重定向不会生效。

3.3 标准输出与标准错误的分离#

• 标准错误（stderr）：文件描述符 2，默认也输出到终端。
• 可以通过 shell 重定向将 stdout 和 stderr 分别或合并处理。

  1
  ./a.out > log.txt 2>&1      # 将 stdout 和 stderr 都写入 log.txt
  2
  ./a.out 2> error.log        # 只将 stderr 重定向到 error.log

• 示例运行观察：

  1
  $ ./a.out
  2
  hello con
  3
  hello printf
  4
  hello err
  5
  
  6
  $ ./a.out > log.txt 2>&1
  7
  $ cat log.txt
  8
  hello con
  9
  hello printf
  10
  hello stderr

  可见重定向后所有输出都进入了文件。

4.1 定义#

• 文件描述符是一个非负整数，本质是进程文件描述符表的数组下标。

• 每次打开文件，内核返回当前最小未使用的描述符。

4.2 分配规则#

1
close(1);                     // 释放 fd=1
2
int fd = open("log.txt", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, 0666);
3
printf("fd: %d\n", fd);       // 此时 fd 通常为 1

4.3 语言库的可移植性#

• C 的 FILE* 结构体内部封装了文件描述符 fd。

• C++ 的 cin/cout/cerr、Java/Python/Go 等语言的 I/O 类库同样封装了操作系统底层的 fd，目的：屏蔽平台差异，增强可移植性。

5.1 open – 打开/创建文件#

1
#include <sys/types.h>
2
#include <sys/stat.h>
3
#include <fcntl.h>
4

5
int open(const char *pathname, int flags);
6
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

• flags（必须包含一种访问模式）：

  • O_RDONLY 只读

  • O_WRONLY 只写

  • O_RDWR  读写

  • 可与以下标志按位或：

    • O_CREAT 文件不存在则创建

    • O_TRUNC 打开时将文件截断为0

    • O_APPEND 追加写入

• mode：当使用 O_CREAT 时，指定文件权限（如 0666），实际权限受 umask 影响。

示例:

1
int fd1 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666); // 写、截断
2
int fd2 = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666); // 追加

5.2 write – 写入文件#

1
#include <unistd.h>
2
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

• 系统不关心写入的数据是文本还是二进制，一律视为字节流。

5.3 read – 读取文件#

1
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

5.4 close – 关闭文件#

1
int close(int fd);

7.1 进程与文件的关系#

• 每个进程的 task_struct 中包含 struct files_struct *files。

• files_struct 中有一个文件描述符表 fd_array[]，数组元素是指向内核 struct file 的指针。

1
进程 task_struct
2
    │
3
    └─ files (struct files_struct *)
4
        │
5
        └─ fd_array[] (struct file *)
6
            ├─ [0] → 标准输入 file 对象
7
            ├─ [1] → 标准输出 file 对象
8
            ├─ [2] → 标准错误 file 对象
9
            ├─ [3] → 打开的文件A
10
            └─ ...

7.2 struct file（内核中已打开的文件）#

• 文件当前偏移量

• 访问模式（只读/只写/读写）

• 引用计数（ref_cnt，记录多少个描述符指向该对象）

• 文件操作函数指针（read, write, lseek 等）

• 文件缓冲区（内存与磁盘交互的缓存）

• 指向磁盘 inode 的指针（保存文件元数据）

8.1 核心思想#

1. 不改变数组下标，只修改 fd_array[] 中特定下标的指向。

2. 所有输出重定向，都是在修改 fd=1 这个数组下标里存的指针，让它指向不同的文件对象。

   • close(1)+open = 释放位置，等系统分配给我（可能拿回1，也可能拿不到）
   • dup2(fd,1) = 直接命令系统：1 号描述符必须指向这个文件!

8.2 关键函数 dup2#

1
int dup2(int oldfd, int newfd);

• 使 newfd 成为 oldfd 的副本（即指向同一个 struct file 对象）。

• 若 newfd 已打开，则先关闭。

示例：

1
int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
2
dup2(fd, 1);   // 将 stdout 重定向到 log.txt
3
printf("This goes to file\n");

此时向 fd=1 写入的数据实际写入了 log.txt，而不是显示器。

8.3 恢复重定向#

• 保存原始 fd 副本，操作完成后用 dup2 恢复。