文件描述符与 IO 系统调用

本文性质声明：本机无 Linux 环境，全部内容未实测，是 Linux 系统编程的语义框架（man page 级知识整理），用于建立心智模型和排障索引。本站的 Windows 对侧实测见 os-io-stack（句柄与 IO 栈）、win-handle-message（句柄表）。用到时以你系统上 man 2 open 一类手册为准。

一、fd 是什么：一张表、三个标准入口

Linux 的”一切皆文件”落在实现上就是每个进程一张文件描述符表：

进程 → fd 表（数组）→ 打开文件描述（系统级 open file description）→ inode

三个层次各有主人：fd 编号是进程私有的（同一个文件在不同进程 fd 号可以不同）；打开文件描述是系统级的（含偏移、状态标志，dup/fork 共享它）；inode 是文件系统的。这个分层解释了一切经典怪现象：

fork 后父子共享文件偏移：因为共享的是同一个打开文件描述。父进程 lseek 后子进程读到的位置也变了——“两个进程交替读同一文件不重复不遗漏”就是靠这个，也是”fork 后忘记各自 lseek 导致读取交错”的原因。
dup/dup2 是别名不是拷贝：dup2(fd, 1) 把 fd 指到同一个打开文件描述，关掉任何一个另一个仍有效——重定向的实现就是它（shell 的 > file 内部就是 open + dup2）。
close(fd) 只是摘除引用：只有当最后一个引用关闭，内核才真正关闭文件。fork 出来没关的 fd 会让对端看不到 EOF——“socket 一端退出了另一端还阻塞在 read”的经典原因。

二、open/read/write/close 的语义细节

open(path, flags, mode)：O_RDONLY/WRONLY/RDWR 三选一；O_CREAT 时 mode 才生效且要过 umask（linux-permission 那节细说）；O_APPEND 让每次写原子地追加到末尾（多进程写日志的正规做法）；O_TRUNC 先清空；O_EXCL 配 O_CREAT 做”存在即失败”的原子创建（锁文件的标准做法）。

read(fd, buf, n)：返回值是实际读到的字节数，可能小于 n（文件到尾部、信号打断、管道数据不足）。读到 0 才是 EOF——read 返回 -1 且 errno 为 EINTR 表示被信号打断，此时重试而不是当错误（慢系统调用语义）。

write(fd, buf, n)：同样可能写部分（磁盘满、管道缓冲满、非阻塞 socket）。循环写完是整个 write 封装的基本要求。

close(fd)：立刻返回，但数据可能还在内核缓冲（close 不保证落盘，fsync 才保证）。close 的返回码也要查：某些文件系统（NFS）的 close 会报告延迟的写错误，忽略它可能丢数据。

三、阻塞与非阻塞：O_NONBLOCK 的两面

默认的阻塞 IO：read 没数据就睡，write 缓冲满就睡——简单，但一个慢对端能挂起一个线程。O_NONBLOCK 打开后：

read 没数据立即返回 -1 + EAGAIN/EWOULDBLOCK
write 缓冲满立即返回 -1 + EAGAIN
connect 对慢主机不再同步等待，立即返回 EINPROGRESS

EAGAIN 不是错误，是”现在不行，晚点再来”——它是所有高性能 IO 模型（select/poll/epoll）的基石。轮询 + sleep 是浪费 CPU 的做法；正确姿势是把”晚点再来”的判断交给内核的就绪通知机制（linux-io-multiplex 那节）。

一个混合模式：普通文件几乎不受 O_NONBLOCK 影响（页缓存命中就返回），它真正生效在管道、socket、字符设备上。

四、fcntl 与文件锁

fcntl 是 fd 的万能操作台：复制 fd（F_DUPFD）、get/set 状态标志（F_GETFL/F_SETFL，改 O_NONBLOCK 的正规途径）、get/set 信号属主（F_SETOWN，配合 SIGIO）、以及记录锁。

记录锁（F_SETLK/F_SETLKW，W=等待）的三个反直觉点：

锁的单位是字节区间不是文件：l_start/l_len 指定范围，l_len=0 表示”到文件尾”（含以后追加的字节——用它锁一个会增长的文件）。
锁关联的是进程不是 fd：进程退出时它所有的记录锁全部释放（不管 fd 关没关）——这是它和 System V 信号量最大的行为差异。
F_SETLK 失败返回 EACCES/EWOULDBLOCK：查 l_type 是读锁还是写锁被占。跨进程互斥的典型用法：两个实例抢同一文件的同一区间，拿到锁的当主。

Open File Description（OFD）锁（F_OFD_SETLK，Linux 3.15+）修的是老记录锁的坑：同一个进程内不同 fd 抢同一区间也会互斥（老记录锁同进程总是成功，多线程场景形同虚设），且 fork 不继承。新代码用 OFD。

五、排障索引

症状	第一嫌疑
`EMFILE`（too many open files）	fd 泄漏：循环里 open 没 close；查 `ls /proc//fd
读文件总是空	打开时带了 `O_TRUNC`；或 `O_WRONLY` 读
读到的位置不对	fork/lseek 语义（第一节）；多线程共享 fd
写日志丢最后几行	close 不 flush 的是用户态库缓冲（stdio 的 `fflush`）；内核侧要 `fsync`
进程退出后锁还在	用了 flock（关联 fd）而非记录锁；或锁文件的 fd 被 fork 继承忘了关

六、未实测清单

本文所有系统调用行为、错误码、锁语义——无 Linux 环境，未测；均为手册级知识。
io_uring 的提交/完成队列——属于 linux-io-multiplex 的概念层，未测。
/proc/<pid>/fd、lsof 的实际输出——未抓。
NFS/网络文件系统上的 close 错误延迟报告——未测（手册级提及）。