一)概述
.open系统调用返回的文件描述符是非负整型.
.每一个进程都有自己的文件描述符集合.
.当创建进程时,通常有3个打开文件描述符(0,1,2),0代表标准输入,1代表标准输出,2代表标准错误,它们统称为标准IO.
.当多个描述符指向同一个文件,每个文件描述符仍保持他独特的性能.
.由于文件描述符在一个进程中是特有的,因此不能在多个进程中间实现共享,而唯一的例外是在父/子进程之间,当一个进程调用fork时,调用fork时打开的所有文件在子进程和父进程中仍然是打开的,而且子进程写入文件描述符会影响到父进程的同一文件描述符,反之亦然.

 

二)父/子进程对文件描述符的分支使用示例

源程序如下:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/times.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>

void writestr(int fd, char *buf)
{
        int r = write(fd, buf, strlen(buf));
        if (r == -1)
                perror(buf);
}

void busywait(void)
{
        clock_t t1 = times(NULL);
        while (times(NULL) - t1 < 2);
}

int main (int argc, char *argv[])
{
        int fd = open("thefile.txt",
                        O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR,
                        S_IRWXU | S_IRWXG | S_IRWXO);
        assert(fd != -1);
        writestr(fd, "This is the parent.\n");
        pid_t pid = fork();

        busywait();
        if(pid == 0){
                writestr(fd,"Child write\n");
        }
        else{
                writestr(fd, "Hi it's me. Im back.\n");

                int status;
                waitpid(pid, &status, 0);
        }
        close(fd);
        return 0;
}

编译fork-file.c
gcc fork-file.c -o fork-file

执行fork-file,同时查看thefile.txt,如下:
./fork-file && cat thefile.txt
This is the parent.
Child write
Hi it's me. Im back.

./fork-file && cat thefile.txt
This is the parent.
Hi it's me. Im back.
Child write

注:
1)我们发现每次运行结果的顺序都不相同,有时父进程会先调用write系统调用,有时子进程会先调用write.
2)子进程继承了父进程的文件描述符,如本例子open系统调用得到的文件描述符是3,在子进程和父进程中的文件描述符都是3.

 

三)文件描述符与/proc

子目录/proc/self本身就是当前运行进程ID的符号链接.

用ls -ld查看/proc/self目录的符号链接,发现每次都不一样,说明我们每次用ls命令时的进程ID都是不同的.
ls -ld /proc/self
lrwxrwxrwx 1 root root 64 2010-10-10 06:25 /proc/self -> 30525

我们查看/proc/self/fd目录下的文件描述符,如下:
ls -l /proc/self/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:16 0 -> /dev/pts/1
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:16 1 -> /dev/pts/1
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:16 2 -> /dev/pts/1
lr-x------ 1 root root 64 2010-10-10 12:16 3 -> /proc/30578/fd

我们看到了3个标准的IO描述符,它们都被软锭接到了/dev/pts/1,/dev/pts/1是我们通过ssh打开第2个终端,如果是第1个终端,那将是/dev/pts/0.
如果我们通过ipmi的串口登录,这里应该是/dev/ttySx,而如果是本地登录那应该是/dev/ttyx,如果是单用户登录那将是/dev/console.
/dev/pts/x是虚拟终端
/dev/ttySx是串行控制端
/dev/ttyx是控制台
/dev/console是单用户控制台

文件描述符3,这个描述符是ls进程打开/proc/self/fd(也就是/proc/30578/fd)所得到的文件描述符.

同样我们将ls -l /proc/self/fd的信息输出的一个文件中,如下:
ls -l /proc/self/fd > /tmp/foo.txt && cat /tmp/foo.txt
total 0
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:22 0 -> /dev/pts/1
l-wx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:22 1 -> /tmp/foo.txt
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:22 2 -> /dev/pts/1
lr-x------ 1 root root 64 2010-10-10 12:22 3 -> /proc/31005/fd
这时标准输出的文件描述符不再是/dev/pts/1了,而是/tmp/foo.txt

再如我们将/dev/null做为标准输入,如下所示:
ls -l /proc/self/fd > /tmp/foo.txt < /dev/null && cat /tmp/foo.txt
total 0
lr-x------ 1 root root 64 2010-10-10 12:30 0 -> /dev/null
l-wx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:30 1 -> /tmp/foo.txt
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:30 2 -> /dev/pts/1
lr-x------ 1 root root 64 2010-10-10 12:30 3 -> /proc/31998/fd
此时标准输入的文件描述符也不再是/dev/pts/1了,而是/dev/null

最后我们将/dev/null做为标准错误输出,如下所示:
ls -l /proc/self/fd > /tmp/foo.txt 2< /dev/null && cat /tmp/foo.txt
total 0
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:37 0 -> /dev/pts/1
l-wx------ 1 root root 64 2010-10-10 12:37 1 -> /tmp/foo.txt
lr-x------ 1 root root 64 2010-10-10 12:37 2 -> /dev/null
lr-x------ 1 root root 64 2010-10-10 12:37 3 -> /proc/32435/fd
此时标准错误输出的文件描述符也不再是/dev/pts/1了,而是/dev/null

 

四)文件描述符与lsof命令

用lsof命令可以查看系统中所有进程的所有打开文件,前提是你有相应的权限.

我们首先查看当前bash的PID
echo $$
3174

用lsof查看打开的文件.
lsof -p 3174
COMMAND  PID USER   FD   TYPE DEVICE    SIZE   NODE NAME
bash    3174 root  cwd    DIR    8,1    4096  32577 /root
bash    3174 root  rtd    DIR    8,1    4096      2 /
bash    3174 root  txt    REG    8,1  797784 309511 /bin/bash
bash    3174 root  mem    REG    8,1   47520 147727 /lib/libnss_files-2.7.so
bash    3174 root  mem    REG    8,1   43472 147716 /lib/libnss_nis-2.7.so
bash    3174 root  mem    REG    8,1   88968 147720 /lib/libnsl-2.7.so
bash    3174 root  mem    REG    8,1   31536 147722 /lib/libnss_compat-2.7.so
bash    3174 root  mem    REG    8,1 4636768 782032 /usr/lib/locale/locale-archive
bash    3174 root  mem    REG    8,1 1375536 147730 /lib/libc-2.7.so
bash    3174 root  mem    REG    8,1   14616 147734 /lib/libdl-2.7.so
bash    3174 root  mem    REG    8,1  256288 147710 /lib/libncurses.so.5.7
bash    3174 root  mem    REG    8,1  119288 147733 /lib/ld-2.7.so
bash    3174 root  mem    REG    8,1   25700 767172 /usr/lib/gconv/gconv-modules.cache
bash    3174 root    0u   CHR  136,1              3 /dev/pts/1
bash    3174 root    1u   CHR  136,1              3 /dev/pts/1
bash    3174 root    2u   CHR  136,1              3 /dev/pts/1
bash    3174 root  255u   CHR  136,1              3 /dev/pts/1

在/proc中查看打开的文件
ls -l /proc/3174/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 13:13 0 -> /dev/pts/1
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 13:13 1 -> /dev/pts/1
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 13:13 2 -> /dev/pts/1
lrwx------ 1 root root 64 2010-10-10 13:15 255 -> /dev/pts/1

我们发现lsof不只是显示文件描述符,在lsof输出的最后四个文件是该进程的打开文件的文件描述符,0u代表的文件描述符为0,而255u代表的文件描述符为255,u的意思为可读可写.
除了这四个文件描述符外,在FD一栏还有cwd,rtd,txt,mem等几种类型,它们的意义如下:
cwd代表当前目录,这里是/root
rtd代表根目录,这里是/
txt代表执行的程序,这里是/bin/bash
mem代表映射到内存的文件,这里是/lib/libc-2.7.so等动态链接库

TYPE一栏表示文件/目录的类型,DIR代表目录,REG代表普通文件,CHR代表字符设备.

我们在伪终端1,执行vi -d /etc/hosts /etc/mtab

在伪终端2,用lsof查看打开的文件.

lsof -p 6195
COMMAND  PID USER   FD   TYPE DEVICE    SIZE   NODE NAME
vi      6195 root  cwd    DIR    0,3       0      1 /proc
vi      6195 root  rtd    DIR    8,1    4096      2 /
vi      6195 root  txt    REG    8,1 1699024 686572 /usr/bin/vim.basic
vi      6195 root  mem    REG    8,1   47520 147727 /lib/libnss_files-2.7.so
vi      6195 root  mem    REG    8,1   43472 147716 /lib/libnss_nis-2.7.so
vi      6195 root  mem    REG    8,1   88968 147720 /lib/libnsl-2.7.so
vi      6195 root  mem    REG    8,1   31536 147722 /lib/libnss_compat-2.7.so
vi      6195 root  mem    REG    8,1 4636768 782032 /usr/lib/locale/locale-archive
vi      6195 root  mem    REG    8,1   17424 147652 /lib/libattr.so.1.1.0
vi      6195 root  mem    REG    8,1   14616 147734 /lib/libdl-2.7.so
vi      6195 root  mem    REG    8,1 1375536 147730 /lib/libc-2.7.so
vi      6195 root  mem    REG    8,1   23616 767588 /usr/lib/libgpm.so.2.0.0
vi      6195 root  mem    REG    8,1   29360 147707 /lib/libacl.so.1.1.0
vi      6195 root  mem    REG    8,1  109464 146602 /lib/libselinux.so.1
vi      6195 root  mem    REG    8,1  256288 147710 /lib/libncurses.so.5.7
vi      6195 root  mem    REG    8,1  119288 147733 /lib/ld-2.7.so
vi      6195 root    0u   CHR  136,0              2 /dev/pts/0
vi      6195 root    1u   CHR  136,0              2 /dev/pts/0
vi      6195 root    2u   CHR  136,0              2 /dev/pts/0
vi      6195 root    4u   REG    8,1   12288 480777 /etc/.hosts.swp
vi      6195 root    5u   REG    8,1   12288 482077 /etc/.mtab.swp

我们看到vi创建了临时文件/etc/.hosts.swp和/etc/.mtab.swp,同时它的执行程序是/usr/bin/vim.basic,应该是确实是vi的二进制程序.
cwd是/proc,说明伪终端1下的当前目录是/proc。
其实我们可以通过w确认当前系统的伪终端,再通过lsof|grep 'pts/0'查看使用该伪终端的PID,最后用lsof -p PID查看该用户在做什么.
如果有具体的用户名,可以直接用lsof -u username来查看该用户当前加载的文件.

 

五)文件描述符的限制

每个进程允许打开文件的实际数目是由内核决定的,但是可以使用sysconf函数在运行时进行查看.如下:

vi process_limit.c

源代码如下:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int
main (int argc,char *argv[])
{
        u_long process;

        process = sysconf(_SC_OPEN_MAX);
        printf("current process total:%lu\n", process);
        return 0;
}

编译链接:
gcc process_limit.c -o process_limit
./process_limit
current process total:819200

进程可以打开文件的总数为819200,与ulimit -n(打开文件的总数)一致.