文件IO_打开和关闭文件（附Linux-5.15.10内核源码分析）

目录

1.打开文件

1.1 函数原型介绍

1.1.1 open函数

1.1.2 creat函数

1.1.2 openat函数

1.2 内核源码分析

1.3 函数原型区别

2.关闭文件

2.1 函数原型介绍

2.1.1 close函数

2.2 内核源码实现

1.打开文件

1.1 函数原型介绍

1.1.1 open函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

函数简介：open函数用于打开一个文件，并返回一个文件描述符，应用程序可以通过文件描述符对文件进行读写等操作。open函数可以打开已经存在的文件，也可以创建一个新文件。

函数参数：

pathname：是文件的路径名。

flags：打开文件时的标志，可以设置为以下值之一或多个值的按位或：

  • O_RDONLY：只读打开
  • O_WRONLY：只写打开
  • O_RDWR：读写打开
  • O_CREAT：如果文件不存在，则创建文件
  • O_TRUNC：如果文件存在且以写方式打开，则截断文件为零长度
  • O_APPEND：以追加方式打开文件

mode：只有在O_CREAT标志被设置时才有效，用于指定文件的访问权限，可以设置为以下值之一：

#define S_IRWXU 00700 //用户可读，可写，可执行
#define S_IRUSR 00400 //用户可读
#define S_IWUSR 00200 //用户可写
#define S_IXUSR 00100 //用户可执行#define S_IRWXG 00070 //组可读，可写，可执行
#define S_IRGRP 00040 //组可读
#define S_IWGRP 00020 //组可写
#define S_IXGRP 00010 //组可执行#define S_IRWXO 00007 //其他用户可读，可写，可执行
#define S_IROTH 00004 //其他用户可读
#define S_IWOTH 00002 //其他用户可写
#define S_IXOTH 00001 //其他用户可执行

mode可以通过八进制赋值，例如设置为0777，0777表示所有权限按位或。

需要注意的是mode需要与系统umask值共同作用才能得到最终的文件权限，umask作用去掉哪些权限，比如umask值为0022（八进制），标识去掉S_IWGRP和S_IWOTH权限。

文件最终权限计算方法为: mode &~ umask.

举例说明：

mode设置为0777，umask值为0022，文件最终权限为0755。

函数返回值：

成功：返回文件描述符，文件描述符为非负整数。

失败：返回-1，并设置errno。

示例代码

#define TEST_FILE "/tmp/test.txt"int open_test() {int fd = open(TEST_FILE, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0777);if (fd == -1) {perror("open error");return -1;}return 0;
}

1.1.2 creat函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int creat(const char *pathname, mode_t mode);

函数简介：creat函数用于创建并打开一个新文件，并返回一个文件描述符，如果文件已经存在，则会将其截断为0字节，应用程序可以通过文件描述符对文件进行读写等操作。

函数参数：

pathname：文件路径名。

mode：是新文件的权限（参考open函数）。

函数返回值：

成功：返回文件描述符，文件描述符为非负整数。

失败：返回-1，并设置errno。

示例代码：

int creat_test() {int fd = creat(TEST_FILE, 0644);if (fd == -1) {perror("creat error");return -1;}return 0;
}

1.1.2 openat函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags);
int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags, mode_t mode);

函数简介：openat函数用于在指定目录下打开文件并返回文件描述符。它与open函数类似，但可以指定相对路径来打开文件，而不需要提供完整的文件路径。

函数参数：

dirfd：已打开的文件目录描述符。

pathname：是指定文件名的字符串。

flags：打开文件时的标志（参考open函数）。

mode：是新文件的权限（参考open函数）。

openat函数dirfd和pathname参数组合关系：

  • 组合1：pathname为绝对路径时，按绝对路径方式打开文件，dirfd失效。
  • 组合2：pathname为相对路径时，由dirfd（文件目录）和pathname（相对路径）共同决定打开的文件名。
  • 组合3：pathname为相对路径时，如果dirfd设置为AT_FDCWD（当前工作目录），由dirfd（当前工作目录）和pathname（相对路径）共同决定打开的文件名。

函数返回值：

成功：返回文件描述符，文件描述符为非负整数。

失败：返回-1，并设置errno。

示例代码：

#define DIR_PATH "/tmp"
#define FILE "test.txt"
int openat_test() {int dirfd = open(DIR_PATH, O_RDONLY);if (dirfd == -1) {perror("open dir error");return -1;}int fd = openat(dirfd, FILE, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (fd == -1) {perror("openat error");return -1;}return 0;
}

1.2 内核源码分析

图 1-1 open函数内核源码分析

open，creat，openat通过系统调用再调用一个共同的函数do_sys_open函数，do_sys_open函数有四个参数：dfd，path，flags，mode。这四个参数对应openat函数原型四个参数。

open函数没有dfd参数，所以在调用do_sys_open函数之前dfd设置为默认值AT_FDCWD（当前工作目录）。

creat函数没有dfd参数和flags参数，所以在调用do_sys_open函数之前dfd设置为默认值AT_FDCWD（当前工作目录），以及flags设置为默认值O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC，creat因为flags默认值的关系，所以只能新建文件或者截断文件长度至0来打开文件。

openat函数需要传递四个参数至do_sys_open函数。

打开文件描述符系列函数源码调用路径如图，这里就不再赘述。

1.3 函数原型区别

 （1）open函数和creat函数区别

  • 区别1：open函数可以打开已存在的文件，也可以创建新文件，而creat函数只能创建新文件。如果文件已存在，creat函数会将其截断为零长度。
  • 区别2：open函数的标志参数可以更加灵活地指定文件的打开方式，包括只读、只写、读写、追加等选项。而creat函数只能以写方式打开文件，并且具有固定的标志（O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC）。

（2）open函数和openat函数区别

  • 区别1：open函数接受一个文件路径名作为参数，该路径名可以是绝对路径或相对路径。 openat函数需要传递一个已打开的目录文件描述符(dirfd)和一个相对于该目录的路径名作为参数。这种方式可以更加灵活地控制文件的打开位置。
  • 区别2：目录解析方式： open函数的文件路径名会根据当前进程的工作目录进行解析。 openat函数的路径名是相对于提供的目录文件描述符(dirfd)进行解析。
  • 区别3：安全性考虑： open函数在解析文件路径时，依赖于进程的当前工作目录。这可能会导致安全性问题，特别是在多线程环境下，因为当前工作目录是共享的。 openat函数提供了更安全的方式，可以避免依赖于进程的当前工作目录，而是通过提供目录文件描述符来指定相对路径。

2.关闭文件

2.1 函数原型介绍

2.1.1 close函数

#include <unistd.h>int close(int fd);

函数简介：close函数的作用是关闭文件描述符并释放相关资源。

函数参数：

fd：表示需要关闭的文件描述符。

函数返回值：

成功：返回0.

失败：返回-1，并设置errno，一些常见的错误码包括：

  • EBADF：无效的文件描述符，即文件描述符未打开或已经关闭。
  • EINTR：操作被信号中断。
  • EIO：I/O错误。

2.2 内核源码实现

图 2-1 close函数内核源码分析

 close函数通过系统调用sys_close函数进入内核空间，close通过fd找到struct file对象并清除和释放该对象，struct file的f_op成员会根据文件系统和文件类型不一样而设置不同的值，关闭文件时，也会调用f_op对应的一些具体函数清除资源，典型的情况如socket关闭，socket关闭需要完成三次握手，需要通过f_op->release函数实现。

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