VC++的文件描述符和内核文件句柄HANDLE

VC++的文件描述符和内核文件句柄HANDLE

本文描述VC++中的C语言使用代码文件描述符(file descriptor)，和内核文件句柄HANDLE之间关系，以及两者之间的转换函数_get_osfhandle，_open_osfhandle以及使用他们的风险。在Windows代码中代码中间文件描述符号和内核句柄HANDLE千万不要共用。

在文章的开头，要声明这是我写的bug，但是是被两个小伙子derickhu，Sasukeliu发现了在此再次对它们表示感谢。

去年在写一些跨平台代码的时候，我们在Windows下尽量模拟一下POSIX（Linux），的函数，结果发现一个问题，如果希望使用到Windows下使用更多的功能，你必须使用内核的文件句柄HANDLE，而不能VC++中C语言函数open等使用的文件描述符（file descriptor），也就是int。到为了方便跨平台，我尽量希望接口是统一的，我们实现的如下：

//我们的垮平台代码
ZEN_HANDLE ZEN_OS::open (const char *filename,
                         int open_mode,
                         mode_t perms)

ZEN_HANDLE在多个WINDOWS平台下被定义为Windows的内核句柄HANDLE，而在LINUX下被定义为LINUX的内核句柄int。

而VC++默认的确实现了一个符合POSIX标准的open函数，返回值也是标准的文件描述符int

//WINDOWS下实现的open函数
int _open(
   const char *filename,
   int oflag [,
   int pmode] 
);

那么如果有一个方法能从C语言的文件描述符转换到Windows内核句柄，那么我就可以直接利用_open这个函数了。Google发现了这两个函数_get_osfhandle，_open_osfhandle。当时的理解是_get_osfhandle将文件描述符号转换成HANDLE，_open_osfhandle将HANDLE转换文件描述符。

//MSDN
Retrieves the operating-system file handle that is associated with the specified file descriptor.
intptr_t _get_osfhandle( 
   int fd );

Associates a C run-time file descriptor with an existing operating-system file handle.
int _open_osfhandle (
   intptr_t osfhandle,
   int flags 
);

于是我的代码写成了。

//在open的时候，调用_get_osfhandle得到内核HANDLE，
//省略了很多其他代码
//open函数用_sopen_s打开文件后，用_get_osfhandle转换为句柄提供给其他地方使用
ZEN_HANDLE ZEN_OS::open (const char *filename,
                         int open_mode,
                         mode_t perms)
{
    int file_id = -1;
    errno_t open_error =::_sopen_s (&file_id,
                                    filename,
                                    open_mode,
                                    _SH_DENYNO,
                                    nt_perms);
    HANDLE openfile_handle =  (HANDLE)::_get_osfhandle(file_id);
    return openfile_handle;
}

//关闭的时候，用_open_osfhandle将HANDLE转换为文件描述符，再用_close关闭
int ZEN_OS::close (ZEN_HANDLE handle)
{
    int file_des = ::_open_osfhandle((intptr_t)handle, _O_RDONLY);
    if (-1 == file_des )
    {
        return -1;
    }
    return ::_close(file_des);
}

代码最开始的实现是利用open函数（我们的代码定义了_CRT_NONSTDC_NO_DEPRECATE，不用在POSIX函数前面加_），一开始的测试也基本OK。但后来发现在部分同事的机器::close函数会出现断言错误，当时有点莫名奇妙，通过将代码open函数换成了sopen_s，close函数替换_close暂时规避了问题（注意_close函数和close函数的确是两个实现）。

最近重构上线，一个服务程序会不断open，close文件的，在运行3天后会就会崩溃，错误是文件描述符号不够用。两位同事将上面的代码改写提取出来，发现了问题。他们的测试代码大致如下：

int test_osadapt_file(int  /*argc*/,char * /*argv*/[])
{
    int file_desc = open("C:\\123.txt",O_CREAT|O_APPEND);
    if (file_desc == 0)
    {
        return 0;
    }
    //fh_1 == fh_2 内核句柄一致
    HANDLE fh_1 = (HANDLE)_get_osfhandle(file_desc);
    HANDLE fh_2 = (HANDLE)_get_osfhandle(file_desc);
    

    std::cout << (int) fh_1 << std::endl;
    std::cout << (int) fh_2 << std::endl;

    //file_desc==3  filedesc_1==4 filedesc_2==5,3个文件描述符不一样
    int filedesc_1 = _open_osfhandle((intptr_t)fh_1,O_RDONLY);
    int filedesc_2 = _open_osfhandle((intptr_t)fh_1,O_RDONLY);

    std::cout << (int) filedesc_1 << std::endl;
    std::cout << (int) filedesc_2 << std::endl;

    //fh_1 == fh_2 == fh_3,内核句柄一致
    HANDLE fh_3 = (HANDLE)_get_osfhandle(filedesc_1);
    std::cout << (int) fh_3 << std::endl;

    return 0;
}

输出的结果在上面的注释都有，结果发现每次调用_open_osfhandle得到的文件描述符号并不是原来最初的文件描述符。

看来完全错误理解_open_osfhandle函数的意义。_open_osfhandle根本就不是关联原来的文件描述符，而是对于HANDLE重新分配一个相关的C语言描述符，并不是找回这个HANDLE对应的（MSDN这个地方的描述居然用了Associates）。

image

从下面这个图可以很清楚的说明为什么会有C函数的文件描述符泄漏。（这很可能也是原来导致断言的原因）

当然仔细看完MSDN，可以看出MSDN _open_osfhandle函数的remark还是有相关的蛛丝马迹的（E文烂实在影响编程能力）。

The _open_osfhandle function allocates a C run-time file descriptor and associates it with the operating-system file handle specified by osfhandle.……
To close a file opened with _open_osfhandle, call _close. The underlying handle is also closed by a call to _close, so it is not necessary to call the Win32 function CloseHandle on the original handle.

其实转念想想，写这段代码的时候过于大意了，Windows内部肯定是使用自己的API，内核自己内部的句柄管理可定是HANDLE，C语言运行时库的函数封装肯定只是上层的一套封装。所以C函数库内部保存的映射关系，肯定只是是文件描述符到内核句柄的，不可能存在内核句柄到文件描述符的映射，所以不要指望通过内核句柄得到相关文件描述符。

混用C运行时库和API不是一个好方法，其实如果没有记错，C语言封装线程的函数（_beginthread，_endthread）和API（CreateThread，CloseHandle）两者之间也有类似的问题。

总结：

_open_osfhandle和_get_osfhandle都是要慎重使用的函数，_open_osfhandle是根据HANDLE分配一个文件描述符，这种情况必须用_close关闭文件描述符，_get_osfhandle只是根据文件描述符得到将对应文件句柄HANDLE，你仍然要管理原来的文件描述符。这2个函数试图连接起来C运行时库文件描述符和内核文件句柄HANDLE，但其实会导致很多陷阱，不如不用。

最好的方案还是不要混用文件描述符和内核句柄HANDLE，该用HANDLE的时候，老老实实使用Windows的API。当年写这段代码的时候看过ACE的实现，发现他的内部实现是老老实实用API，::CreateFile（用::CreateFile实现类似open的接口要写好多代码）,我还无比嘲笑，结果发现土鳖的还是自己。

推荐音乐：黑撒的《西安事变》和《流川枫和苍井空》，derickhu，Sasukeliu他们都是西安毕业的。送给他们。

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