C编程

文件描述符

虽然 C 标准中没有指定文件描述符的概念，但许多操作系统提供了文件描述符（有时缩写为 fd）。虽然 stdio.h 中的 FILE 类型及其相关函数封装了流的低级细节，但文件描述符是一个整数，用来表示操作系统正在跟踪的流。

本节将探讨在 POSIX 系统（例如 Linux）中实现的文件描述符。

标准流作为文件描述符

当进程被创建时，操作系统为该进程分配了三种流：标准输入流 stdin，标准输出流 stdout，和标准错误流 stderr。通常，标准流是通过 stdio.h 中的 FILE 类型来交互的，如前面所述。标准流也可以通过它们的原始文件描述符来交互，这些文件描述符对于每个进程都是相同的：

请注意，这些文件描述符对于每个进程都是相同的，尽管标准流包含不同的数据。也就是说，文件描述符不一定是全局唯一的；每个进程可能对哪些文件描述符映射到哪些流有不同的视图，就像每个进程对系统的虚拟地址空间有不同的视图一样。

基本的读写操作

可以使用以下函数进行文件描述符的读取和写入操作：

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

与基于 FILE 的函数进行比较：

#include <stdio.h>
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
int fputs(const char *s, FILE *stream);

可以明显看到以下三点区别：

1. 从流中读取和写入的数据并不假定是字符串。
2. 文件描述符作为参数传递，而不是 FILE 类型。
3. 返回值使用一致的类型。

read 和 fgets 的参数集类似：都包含表示流的某种方式、一个缓冲区以及一个大小；此外，如果读取的数据量等于请求的大小，那么缓冲区的内容无论使用哪个函数都应该是相同的。然而，在读取的数据量与请求的大小不匹配时，这些函数的行为不同。fgets 用于处理字符串时，如果遇到换行符，它会提前停止读取；如果流中没有更多的字符串，它可能会阻塞等待。read 则不会在遇到特殊值时提前停止读取，但如果没有写入请求的所有数据到管道中，它会停止读取。由于 read 不能保证缓冲区中完全可用的数据（如果它提前停止读取），返回值包含写入缓冲区的字节数。这使得 read 更适用于需要更高控制权的数据读取情况，或者程序员愿意通过减少阻塞 I/O 操作来接受部分读取的数据。

同样，write 需要显式的大小参数，因为它不能假设写入的是一个以 NULL 结尾的字符串，它将返回已写入的字节数，以便程序确定传递的数据是否已完全写入流中。

获取和丢弃文件描述符

FILE 与文件描述符的转换

（此部分略，内容未完全展开）

通过 openat 实现安全性

（此部分略，内容未完全展开）

参考文献

• read(2) 和 write(2)，Linux 程序员手册，2019-10-10
• fgets(3) 和 fputs(3)，Linux 程序员手册，2020-08-13