「句柄」文件描述符与文件句柄

句柄

在我们日常编程中经常会遇到文件描述符（file descriptor）和文件句柄（file handler）这两个概念，特别是需要开发跨平台（跨windows和linux）项目的时候会被这两个概念搞得很头痛，所以下面来说说它们是什么东西及它们的区别与联系。

本质是一个索引号（非负整数），系统用户层可以根据它找到系统内核层的文件数据。这是一个POSIX标准下的概念，常见于类Unix系统，比如linux。windows也是声称遵循POSIX标准的，所以windows也有文件描述符这个概念，但不常用。

Windows下的概念。句柄是Windows下各种对象的标识符，比如文件（也许叫文档比较合适一点）、资源、菜单、光标、位图等。文件句柄和文件描述符类似，它也是一个非负整数，也用于定位文件数据在内存中的位置。

由于linux下所有东西都被看成是文件，比如文件（也许叫文档比较合适一点）、目录、进程、网络 socket、各种硬件设备等，所以linux下的文件描述符其实就相当于windows下的句柄。文件句柄只是windows众多句柄中的一种类型而已。

下面用一张图来说明文件描述符的作用（windows下的句柄也是类似的，只是实现细节不同）：

文件描述符

对上图进行说明之前，还要普及一个知识：一个操作系统对象（比如文件）在内存中的位置是不固定的。它有可能会在虚拟内存和物理内存中来回切换。

由于一个文件在内存中的位置是会变的，而文件管理是系统内核的事，那么对于用户程序来说，要怎么定位它呢？这就是上面那张图要说明的。
这里有三张表：进程文件表，文件概要表和文件节点表。其中进程文件表是每个进程都会有一张，而文件概要表和文件节点表是整个系统各有且只有一张。
文件节点表中每一项数据就是文件的实际数据。
文件概要表中的每一顼是文件的概要数据，它包含了文件的状态、当前文件读写位置、节点指针等。当文件节点表中的数据发生变化时（比如说位置变了），内核会相应地修改文件概要表中对应项的节点指针，让它指向最新的文件数据。
进程文件表里记录了该进程打开的所有文件的文件描述符，看图可以知道文件描述符其实只是一个数组的下标，根据它可以访问数组的数据，而这个数组的数据就是指向该文件对应的文件概要表。
所以，不管文件数据在内存中的哪个位置，只要我们有文件描述符，我们就可以找到该文件的概要数据，从而找到文件的数据来进行操作。

每个进程创建的时候都会打开三个文件：stdin，stdout和stderr。它们的文件描述符对应为0，1，2。
系统分配文件描述符时总是分配最小可用的值。如果当前进程只使用了0，1，2这三个文件描述符，那下次分配的将是3。如果当前进程只使用了0，1，2，3，5这五个文件描述符，那下次分配的将是4。
不同的文件概要中的节点指针可以指向同一个文件节点，另外，文件描述符与文件概要是一一对应的，因此，不同的文件描述符可以对应相同的文件结点，即同一个文件可以在同一时间内被多次打开，每次打开都会分配一个文件描述符及生成一个文件概要。
Windows一般不直接使用文件描述符，所以它提供了一个系统函数叫_get_osfhandle，它可以根据一个文件描述符来获得文件句柄。
Windows创建一个文件一定会生成一个文件句柄，但并不一定分配一个文件描述符，如果你需要一个文件描述符，可以使用_open_osfhandle来分配一个。
在windows下不要混用文件描述符与文件句柄，最好就不要用文件描述符了。比如socket这个函数，它在linux下的返回值是一个文件描述符，而在windows下返回的是一个句柄，如果要写跨平台的代码，就得十分小心这些差异。