文件描述符

文件描述符

定义

​ 在Linux系统中，当我们打开或者创建一个文件时，系统会提供一个文件描述符作为该文件的“代号”，我们可以通过使用这个“代号”来对原文件进行一系列的读写操作。

​ 在Linux中，文件描述符0、1、2是有特殊含义的。

​ 0是标准输入（stdin）的文件描述符

​ 1是标准输出（stdout）的文件描述符

​ 2是标准错误（stderr）的文件描述符

​

文件描述符关联的数据结构

struct file

​ 每个文件描述符都关联到内核一个 struct file 类型的结构体数据。struct file的结构体定义如下：

struct file {
	...... 
	atomic_long_t f_count; // 引用计数，管理文件对象的生命周期
	struct mutex f_pos_lock; // 保护文件位置的互斥锁
	loff_t f_pos; // 当前文件位置（读写位置）
	...... 
	struct path f_path; // 记录文件路径
	struct inode *f_inode; // 指向与文件相关联的 inode 对象的指针，该对象用于维护文件元数据，如文件类型、访问权限等
	const struct file_operations *f_op; // 指向文件操作函数表的指针，定义了文件支持的操作，如读、写、锁定等
	...... 
	void *private_data; // 存储特定驱动或模块的私有数据
	......
}

​ 这个数据结构记录了与文件相关的所有信息，其中比较关键的是 f_path 记录了文件的路径信息，f_inode记录了文件的元数据。

​ f_count的作用是管理文件的打开与关闭。文件IO中的open和close并不能真正的打开和关闭文件。事实上，open和close都是使f_count做加减操作，每当有程序执行open时，f_count+1；每当有程序执行close时，f_count-1。只有当f_count值为0时，文件描述符才真正被关闭。

struct path

struct path {
	struct vfsmount *mnt;
	struct dentry *dentry;
}

​ struct vfsmount：是虚拟文件系统挂载点的表示，存储有关挂载文件系统的信息。

​ struct dentry：目录项结构体，代表了文件系统中的一个目录项。目录项是文件系 统中的一个实体，通常对应一个文件或目录的名字。通过这个类型的属性，可以定位文件 位置。

struct inode

struct inode {
	umode_t i_mode; // 文件类型和权限。这个字段指定了文件是普通文件、目录、字符设备、块设备等，以及它的访问权限（读、写、执行）。
	unsigned short i_opflags;
	kuid_t i_uid; // 文件的用户 ID，决定了文件的拥有者。
	kgid_t i_gid; // 文件的组 ID，决定了文件的拥有者组。
	unsigned int i_flags;
	...... 
	unsigned long i_ino; // inode 编号，是文件系统中文件的唯一标识。
	...... 
	loff_t i_size; // 文件大小
}

文件描述符表关联的数据结构

struct files_struct {
	...... 
	struct fdtable __rcu *fdt; // 指向当前使用的文件描述符表（fdtable）
	...... 
	unsigned int next_fd; // 存储下一个可用的最小文件描述符编号
	...... 
	struct file __rcu *fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; // struct file 指针的数组，大小固定，用于快速访问。
}

​ fdt维护了文件描述符表，其中记录了所有打开的文件描述符和 struct file的对应关系。

struct fdtable {
	unsigned int max_fds; // 文件描述符数组的容量，即可用的最大文件描述符
	struct file __rcu **fd; // 指向 struct file 指针数组的指针
	unsigned long *close_on_exec;
	unsigned long *open_fds;
	unsigned long *full_fds_bits;
	struct rcu_head rcu;
}