文件描述符与文件指针的区别

在本文中，我们将讨论操作系统中文件描述符和文件指针之间的区别。但在讨论这些区别之前，我们必须了解操作系统中的文件描述符和文件指针。

文件描述符简介

在计算中，文件描述符是一个标识符，它是唯一的或抽象的引用，用于访问文件或其他输入/输出资源，如套接字和管道。这些文件或资源的文件描述符由操作系统维护。一些文件描述符通常用正整数表示。

文件描述符的表示

文件描述符的表示方式因操作系统的不同而异

• 类 Unix 系统（例如：Linux、macOS、BSD）：在包括 Linux 在内的类 Unix 系统中，文件描述符更像是一个按进程划分的文件描述符表中的一组索引。内核控制此表，其中包含所有打开的文件、套接字、管道和其他 I/O 资源的行条目。表中的每一行都包含有关文件或资源的类型、位置或访问模式的数据。
• Windows：Windows 操作系统中的文件描述符是文件句柄。它们被引用为由内核维护的结构，并由操作系统复制。这些结构与类 Unix 系统具有相同的意图，它们包含有关打开文件的信息。

文件描述符为低级输入/输出 (I/O) 操作提供了基础，这在类 Unix 系统中特别有用。

• 打开文件：当使用系统调用（例如 C 中的 fopen() 或 Python 中的 open()）打开文件时，会获取文件描述符。操作系统会为与打开文件关联的请求文件分配一个文件描述符。
• 读取和写入：文件描述符用于对文件执行读取或写入操作。例如，像 fread() 和 fwrite() 这样的系统调用使用文件描述符，作为确定要访问的文件的参数。
• 关闭文件：使用文件后，应关闭与其对应的文件描述符，以通知系统系统资源可用。这可以使用 close() 系统调用完成。如果文件描述符未关闭，将导致资源泄漏，并在长时间运行的程序执行期间出现问题。
• 操作文件属性：此外，文件描述符还可用于使用 fchmod() 和 fchown() 方法更改文件属性，例如权限、访问权限和时间戳。
• 重定向 I/O：文件描述符对于类 Unix shell 上的 I/O 重定向至关重要。进程可以通过文件描述符操作来实现这一点，即从其他文件或设备读取数据并写入，而无需修改代码。

文件指针简介

在编程中，文件指针是一种数据结构或变量，通常在输入/输出操作期间关注特定文件中的当前位置。读取或写入可以看作是指向下一个打开操作将发生的位置的指针。文件指针对于有效的文件管理很重要，尤其是在顺序文件检索中。

文件指针允许对文件执行各种操作。

• 位置管理：文件指针允许我们倒回（回溯）或快进（向前）文件中的当前位置，并访问特定位置。这使得连续的文件数据检索成为可能。
• 读写操作：文件指针使得能够使用函数（例如 fread() 或 fgets()）从文件中读取数据，以及使用函数（例如 fwrite() 或 fprintf()）向文件中写入数据。这些函数承担文件指针功能，以确定操作应在文件中的哪个位置开始。
• 查找：文件指针还提供查找支持，这有助于程序指定文件中的当前位置应移动到的特定位置。这可以使用诸如 fseek() 和 rewind 等函数完成。随机，适用于随机访问文件信息的特性，允许在文件之间导航，而没有任何结构上的顺序限制。
• 错误处理：文件指针在信息处理过程中指定文档状态时可能会出现各种问题。通常，函数通过特殊的返回值或设置错误标志来指示失败或错误，这允许程序良好地处理错误。

文件指针如何使用？

指针标识文件中的当前位置，并存储从文件开头开始的字节偏移量。如果执行了文件中的操作，例如打开或读取/写入，则文件指针将更新以反映新位置。从这里开始，该位置用作对文件进行后续操作的基础。

例如，当从文件中读取数据时，文件指针会增加读取的字节数，即下一次读取操作的位置。类似地，在文件上记录数据时，加载器指针也会增加。

高级 I/O 函数中文件指针的应用

文件指针最常用于高级 I/O 操作，尤其是在那些通过库或模块精确反映文件处理的语言中。一些常见的用例包括

• 文本文件处理：文件指针显示文件中读写文本数据在文本处理中的地址。C/C++ 操作，如 gets() 和 printf()，以文件指针的形式执行这些类型的操作。
• 二进制文件处理：文件指针在二进制数据的读写过程中起着重要作用。例如，C/C++ 的读写操作，如 fread() 和 fwrite()，将使用文件指针进行二进制 I/O。
• 文件导航：文件指针能够以块状方式读写数据。它们还有助于以块的形式处理文件。此外，文件指针用于搜索、跳过不必要的部分以及跳过文件的整个不必要的部分
• 输入/输出重定向：在脚本语言和 shell 环境中，文件指针用于输入/输出重定向。它允许程序从文件中读取输入或将输出写入用户提供的文件。

文件描述符和文件指针的区别

文件描述符和文件指针是文件处理中的关键实体，尽管它们在自然形式、表示、管理级别、许多可能的用法场景和内存消耗方面有所不同。了解这些区别对于成功进行编程中的文件操作至关重要。

抽象的本质

• 文件描述符在非常低的抽象级别工作，在内核级别提供对操作系统资源的直接访问，例如文件、套接字和管道。通常，它们表示为小的非负整数，并通过系统调用访问这些资源。文件描述符提供了一个低级且面向系统的接口，对 I/O 操作控制有很多微调，但它们需要仔细检查其资源和错误。
• 相反，文件指针在更抽象的表示级别上运行，为文件操作提供了更实用的接口。它们是由编程语言库或运行时环境维护的数据结构，用于管理文件中光标位置、读/写操作以及导航文件内容。文件指针包含低级细节，例如文件偏移量和缓冲区，使开发人员能够更实际、更轻松地完成工作。

表示：数字与数据结构

• 操作系统维护一个按文件描述符的数值（通常是整数）索引的按进程划分的文件描述符表。文件或其他 I/O 资源的 ID 是进程中用于执行读取、写入或关闭等操作的系统调用的唯一整数。
• 然而，它们与文件指针大相径庭，文件指针通常被描绘为由编程语言运行时或标准库管理的数据结构或对象。这个数据结构集合包含有关文件中当前位置、缓冲区大小、错误标志和其他基本元数据的数据。文件指针用于抽象文件描述符的数字表示；因此，程序员不再需要查找、创建或管理文件描述符。

控制级别：直接与间接

• 文件描述符通过发出系统调用提供对低级 I/O 操作的基本和直接控制，这些系统调用可以与系统资源紧密连接。开发人员或用户可以使用文件描述符执行打开、读取、编辑和关闭文件、管理文件属性和 I/O 重定向等操作。
• 而文件指针通过泛化系统级细节并提供更高级别的函数和方法进行文件控制，从而提供间接访问以管理文件操作。开发人员通过编程语言提供的库函数或方法与文件指针进行通信，这些函数或方法代表用户创建和处理文件描述符并执行输入/输出操作。

使用场景：系统调用与库函数

• 文件描述符主要用于需要直接与操作系统对象交互的情况，例如基本文件操作、网络编程和进程间通信。通常使用操作系统提供的系统调用进行文件操作（例如 open()、read()、write() 和 close()）的开发人员与文件描述符一起工作。
• 然而，在高级编程任务中，通常更喜欢文件指针，因为它们强调简单性和易用性，而不是关注细节。使用文件指针的应用程序开发人员依赖于通常由编程语言的标准库或运行时环境提供的库函数或方法，例如 fopen()、fread()、fwrite() 和 fclose()，用于文件操作。

内存管理：内核空间与用户空间

• 描述符是驻留在操作系统内核空间的元素，因为内核管理它们，并且它们只是系统资源的句柄。文件描述符必须在用户和内核空间之间切换模式，这可能会导致系统调用和上下文切换，从而增加成本。
• 相比之下，文件指针仅存在于应用程序的用户空间中，因为它们通过运行时环境或标准库进行管理。文件指针包含文件描述符；这些和其他相关信息封装在用户空间数据结构中，这大大减少了频繁切换到内核空间的需要，从而提高了文件系统操作的性能。

可见性和可移植性

• 文件描述符主要由操作系统内核管理，在进程级别不可见。它们不适用于不同的操作系统内核，因为它们实现了自己的变体。
• 文件指针可以被认为是编程语言运行时或标准库功能的一部分，从而促进了它们在不同平台和操作系统上的可移植性。它们抽象地设计系统特定细节，以提供一致的文件操作接口。

生命周期和作用域

• 文件描述符与特定进程相关联，旨在通信单个文件或 I/O 资源。它们在文件打开时出现；它们仅在文件使用期间或直到进程终止时存在。
• 文件指针通常根据程序的范围或函数进行声明和操作。它们是可以作为参数传递给不同函数或存储在数据结构中的类型，从而促进应用程序内更灵活的文件访问管理。

与系统缓冲区的交互

• 文件描述符直接访问由操作系统内核维护的系统 I/O 系统缓冲区。开发人员对缓冲区大小和缓存行为的控制非常有限，这可能会对 I/O 性能产生负面影响。
• 文件指针可以提供在语言或库级别实现的额外缓冲和缓存功能，从而提高 I/O 效率。开发人员可以对缓冲区大小和缓存算法有额外的控制，具体取决于运行时或库的功能。

文件描述符继承

• 在类 Unix 操作系统中，文件描述符由通过 fork() 运行的子进程继承。继承机制允许子进程从其父进程公开打开的文件，这对于父进程和子进程之间的通信和资源共享很有帮助。
• 文件指针通常不与其他子进程共享，因为它们是用户空间环境的一部分。这是每个进程中的情况，每个进程都保留自己的一组文件指针，与父进程或兄弟进程的文件指针不同。这种隔离有助于在多进程环境中有效利用资源。

进程间通信

• 文件描述符可用于进程间通信 (IPC)，其机制包括管道、套接字和命名管道 (FIFO)。进程可以使用 UNIX 套接字域和消息传递目录等机制将文件描述符传递给其他进程。
• 尽管文件指针本身不用于 IPC，但它们可以与使用 IPC 技术创建的共享内存资源或通信通道相关联。这是一种情况，导致文件指针间接传输进程之间的数据，但实际的 IPC 机制传输文件描述符。

并发和线程安全

• 文件描述符是进程内的共享资源，这使得从线程顺序访问它们需要同步机制，例如锁或信号量，以确保线程安全。不正确的同步可能会导致竞态条件和损坏。
• 文件指针通常在提供文件流抽象的更高级编程语言或库构造中找到。因此，这些创建的功能可以包含内部同步机制，这将保证在多个线程同时处理时线程安全，从而减少开发人员手动实现它们的需要。

上下文切换开销

• 对文件描述符进行操作通常与系统调用相关，这需要从用户空间到内核空间的上下文切换。这种开销可能会影响性能，尤其是在文件操作频繁或在上下文切换开销昂贵的多线程应用程序中。
• 在大多数情况下，用户空间文件指针的开销低于驻留在内核空间中的文件描述符。使用文件指针的常见文件操作通常在包含大部分应用程序的相同用户空间上下文内完成，从而减少上下文切换并因此提高整体性能。