Linux中文件描述符fd与文件指针FILE*互相转换实例解析

本文研究的主要是Linux中文件描述符fd与文件指针FILE*互相转换的相关内容，具体介绍如下。

1.文件描述符fd的定义: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。

2.文件指针FILE定义说明文件指针的一般形式为：

FILE *指针变量标识符；

其中FILE应为大写，它实际上是由系统定义的一个结构，该结构中含有文件名、文件状态和文件当前位置等信息。在编写源程序时不必关心FILE结构的细节。

使用系统调用的时候用文件描述符的时候比较多，但是操作比较原始。C库函数在I/O上提供了一些方便的包装（比如格式化I/O、重定向），但是对细节的控制不够。

如果过度依赖其中的一种只会徒增麻烦，所以知道两者的转换是很有必要的。FILE*是对fd的封装

当然，有人会说知道文件路径的话重新打开就是了，但是这会产生竞争条件（Race Conditions），首先重新打开文件，相当于是2个fd指向同一文件，然后如果在打开的期间文件被删除了又被新建了一个同名文件，2个fd指向的便是不同的文件。

glibc库提供了两个转换函数fdopen(3)和fileno(3)，都是<stdio.h>中的

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

PS：为了节省篇幅，还是继续忽略返回值的检查。

来看看测试吧，是不是我们想的那样。

#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

参考fileno手册：

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

FILE是对fd的封装，fileno()是直接取得被封装的fd，因此并未创建新的fd指向该文件。

参考fdopen手册：

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()是讲流（FILE对象）与已存在的文件描述符fd进行关联，因此也是未创建新的fd。值得注意的是，FILE指针的模式（mode）必须与文件描述符的模式兼容。

关于mode参数先搁置会儿，目前我们知道的是，使用fileno和fdopen进行转换，都是在原有的fd上进行操作，并未产生新的fd。那么，再次审视刚才的代码，是否发现了问题？

我们来检查下close(fd)的返回值，把close(fd)改成下列代码

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

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

没错，fclose在关闭文件指针的时候，内部其实也关闭了文件描述符（否则资源就泄露了），既然这里fp内部的文件描述符和fd是同一个，当fp被关闭时，fd也被关闭了，再次关闭fd就会出现“损坏的文件描述符”错误。

OK，现在回顾下fopen的第2个参数，又r/r+/w/w+/a/a+一共6种设置（windows平台的rb/rb+/wb/wb+暂且不谈），对比Linux手册我将对应的open设置列出来

依然是进行测试，修改fd_mode和fp_mode，看看实验结果

#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等价于"w+"时，fp_mode的6种设置（r/r+/w/w+/a/a+）均返回非空指针。

在fd_mode等价于"w"时，fp_mode6种设置只有"a"和"w"返回非空指针。

继续尝试"r"/"r+"/"a"/"a+"的设置，可以发现所谓“兼容”只与读写权限有关，O_RDWR兼容O_RDONLY和O_WRONLY，而后两者则只与自身兼容。

有意思的是O_APPEND（在末尾添加）和O_TRUNC（截断文件从头添加）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.

继续查看fdopen的手册内容，可以看到"w"和"w+"在这里不会导致文件截断。

后一句也印证了我们前面的实验结果：文件描述符不会被复制，文件指针被关闭时文件描述符也会被关闭。

PS：其实fdopen的手册上还有最后一句：The result of applying fdopen() to a shared memory object is undefined.

将fdopen用于共享内存对象的结果是未定义的。

总结

以上就是本文关于Linux中文件描述符fd与文件指针FILE*互相转换实例解析的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题，如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持！