IO流(三) 文件描述符

lvtao

java基础io流

发布于：2020年5月8日

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1.概述

文件描述符即FileDescriptor类，当应用程序调用linux的open函数后，会返回一个非负整数，这个数字代表了某个文件的标示(linux系统)，FileDescriptor类对这个数字进行了一层封装，除了保存这个数字外还提供了其他的方法。

后续可以将此类内部的符号作为参数，再次调用操作系统的IO读写函数，完成设备的IO操作。在Java中我们不能直接调用FD的相关方法，而是通过它创建一个FileInputStream或FileOutputStream对象，通过调用流对象完成IO操作。

2.构造器与常量

2.1 构造器

FileDescriptor类共有俩个构造器，对外仅提供了一个空参数的构造器，另一个构造器仅供类内部使用:

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// 空构造器，描述符号写死
public FileDescriptor() {
       fd = -1;
   }

// 自定义描述符号的构造器，不对外提供
   private FileDescriptor(int fd) {
       this.fd = fd;
   }

由此看出java代码层面只能创建一个描述符号值为-1的实例，但是linux颁发的描述符号都是非负整数，也就是说创建的实例是个无效的描述符，至于为什么这样设计，后面会讲。

2.2 标准输入/输出常量

FileDescriptor类通过私有构造器创建了三个静态常量实例，并且指定了描述符号的值。在linux系统中默认打开一些文件描述符，其中0固定为键盘标准输入、1固定为屏幕标准输出、2固定为屏幕错误输出。对此java也创建了三个固定的描述符对象:

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// 标准输入(键盘)
public static final FileDescriptor in = new FileDescriptor(0);

// 标准输出(屏幕)
public static final FileDescriptor out = new FileDescriptor(1);

// 错误输出(屏幕)
public static final FileDescriptor err = new FileDescriptor(2);

常量in实现了键盘的输入功能，这个很少用就不讲了，接下来我们通过代码的形式，基于out常量实现一个屏幕的输出操作:

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public static void main(String[] args) throws Exception{

    // 基于out文件描述符，创建一个屏幕输出流
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(FileDescriptor.out);

    // 写入输出的内容
    fos.write("来一杯冰镇可乐".getBytes());

    // 关闭流
    fos.close();
}

main方法执行完毕后，可以在控制台看到打印的结果，这个效果和我们常用的System.out.println()方法一致，System对象内部就是通过out常量创建一个FileOutputStream，考虑到性能问题，还会继续封装成BufferedOutputStream对象，最后再封装成PrintStream实现。

常量err和out几乎一样，因为是错误输出，所以在控制台打印的颜色是红色。

3.成员变量

3.1 fd变量

fd即文件描述符号值，除了上述的三种特殊情况可以提前知道符号值，当我们想要对linux的IO设备进行读写时，必须调用open函数获取对应的文件描述符号，因为linux系统的所有IO函数都是基于文件描述符号操作的。

以FileInputStream为例，内部的native open0()方法会调用linux的open函数拿到文件描述符号，并赋值给自己的fd属性，也就是说fd只能通过底层的C语言进行赋值。个人猜测，这么设计是防止开发人员随意设置文件描述符号值进行IO操作，引起不必要的麻烦。

3.2 parent

用于记录哪些FileOutputStream实例是基于自己创建的，第一个赋值在parent属性中，主要用于后续的流关闭操作。

3.3 otherParents

用于记录哪些FileOutputStream实例是基于自己创建的，除了第一个，后续的就添加到otherParents集合中，主要用于后续的流关闭操作。

3.4 closed

默认为true，当调用classAll()方法后变为false，如果文件描述符已关闭，就无法再进行IO操作了。

4.内部方法

4.1 valid

判断一个文件描述符是否有效，就是看符号值是否为-1，在java层面new出来的实例都是无效的，需要借助native方法调用操作系统open函数对其再次赋值:

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public boolean valid() {
	return fd != -1;
}

4.2 sync

我们都知道Linux的磁盘IO，在内核中默认使用PageCache缓冲，sync方法就是调用操作系统函数强制刷盘。

4.3 attach

当我们基于某个FileDescriptor对象构造一个FileInputStream实例时，会调用FileDescriptor对象的attach方法，将自己注册进去。主要用于后续的流关闭操作:

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// 可能会有多个流对象基于此实例进行创建，因此要保证线程安全
synchronized void attach(Closeable c) {

    // 如果parent为空，说明是第一个利用此实例创建的FileInputStream对象
    if (parent == null) {
        parent = c;
    // 后续基于此实例创建的FileInputStream对象，放入集合中
    } else if (otherParents == null) {
        otherParents = new ArrayList<>();
        otherParents.add(parent);
        otherParents.add(c);
    } else {
        otherParents.add(c);
    }
}

4.4 closeAll

当一个FileInputStream实例(后面简称FIS)调用close方法时，其实是调用内部的FileDescriptor对象的closeAll方法，为了防止多个FileInputStream实例同时调用，也使用关键字保证线程安全:

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synchronized void closeAll(Closeable releaser) throws IOException {

       // 只有未关闭状态才会执行关闭操作
       if (!closed) {

           // 标记为已关闭
           closed = true;

           // 记录是否出现了异常
           IOException ioe = null;

           // 将传进来的对象关闭
           try (Closeable c = releaser) {

               // otherParents集合中如果存在元素，统统关闭
               if (otherParents != null) {
                   for (Closeable referent : otherParents) {
                       try {
                           referent.close();
                       } catch(IOException x) {
                           // 如果关闭过程中出现异常，记录到ioe中
                           if (ioe == null) {
                               ioe = x;
                           } else {
                               ioe.addSuppressed(x);
                           }
                       }
                   }
               }
           } catch(IOException ex) {
               // 如果关闭过程中出现异常，记录到ioe中
               if (ioe != null)
                   ex.addSuppressed(ioe);
               ioe = ex;
           } finally {
               // 如果catch到异常则抛出
               if (ioe != null)
                   throw ioe;
           }
       }
   }

这个方法很有意思，当FileInputStream实例使用完毕后，调用自己的close进行流关闭，并且会将关闭自己的逻辑封装成一个Closeable，作为参数调用内部FileDescriptor实例的closeAll方法。

也就是说当多个FileInputStream实例引用一个FileDescriptor实例时，其中一个FileInputStream实例执行了close方法，其他的FileInputStream实例也就无法进行读写了，因为操作系统已经把这个文件描述符关闭了。

closeAll方法中并未对parent进行关闭，这个我很疑惑，但这不重要。重点是参数releaser内部包含了Linux系统close方法的调用，在操作系统层面已经将文件描述符关闭了，java层面无论如何都不可能再读写的。

5.总结

FileDescriptor对象是操作系统和java流对象之间的桥梁，以linux系统为例，FileDescriptor的本质就是记录linux系统open函数返回的符号，这个符号的本质就是linux系统给文件发送的临时索引，通过这个临时身份证就可以找到对应的文件，java流对象就可以和linux进行函数调用，完成IO操作。

更新于：2021年10月23日