文件描述符的本质

1. 文件描述符的本质是数组元素的下标

 

右侧的表称为i节点表，在整个系统中只有1张。该表可以视为结构体数组，该数组的一个元素对应于一个物理文件。

中间的表称为文件表，在整个系统中只有1张。该表可以视为结构体数组，一个结构体中有很多字段，其中有3个字段比较重要：

 

1. file status flags：用于记录文件被打开来读的，还是写的。其实记录的就是open调用中用户指定的第2个参数
2. current file offset：用于记录文件的当前读写位置（指针）。正是由于此字段的存在，使得一个文件被打开并读取后，下一次读取将从上一次读取的字符后开始读取
3. v-node ptr：该字段是指针，指向右侧表的一个元素，从而关联了物理文件。

 

左侧的表称为文件描述符表，每个进程有且仅有1张。该表可以视为指针数组，数组的元素指向文件表的一个元素。最重要的是：数组元素的下标就是大名鼎鼎的文件描述符。

open系统调用执行的操作：新建一个i节点表元素，让其对应打开的物理文件（如果对应于该物理文件的i节点元素已经建立，就不做任何操作）；新建一个文件表的元素，根据open的第2个参数设置file status flags字段，将current file offset字段置0，将v-node ptr指向刚建立的i节点表元素；在文件描述符表中，寻找1个尚未使用的元素，在该元素中填入一个指针值，让其指向刚建立的文件表元素。最重要的是：将该元素的下标作为open的返回值返回。

这样一来，当调用read（write）时，根据传入的文件描述符，OS就可以找到对应的文件描述符表元素，进而找到文件表的元素，进而找到i节点表元素，从而完成对物理文件的读写。

2. fork 对文件描述符的影响

fork会导致子进程继承父进程打开的文件描述符，其本质是将父进程的整个文件描述符表复制一份，放到子进程的PCB中。因此父、子进程中相同文件描述符（文件描述符为整数）指向的是同一个文件表元素，这将导致父（子）进程读取文件后，子（父）进程将读取同一文件的后续内容。

案例分析（forkfd.c）：

 

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/types.h>  
  
int main(void)  
{  
       int fd, pid, status;  
       char buf[10];  
         if ((fd = open("./test.txt", O_RDONLY)) < 0) {  
                 perror("open");  exit(-1);  
        }  
         if ((pid = fork()) < 0) {  
               perror("fork");  exit(-1);  
        } else if (pid == 0) {  //child  
                read(fd, buf, 2);  
                write(STDOUT_FILENO, buf, 2);  
        } else {  //parent  
                 sleep(2);  
                lseek(fd, SEEK_CUR, 1);  
                read(fd, buf, 3);  
                 write(STDOUT_FILENO, buf, 3);  
                 write(STDOUT_FILENO, "\n", 1);  
        }  
         return 0;  
 }  

 

 

假设，./test.txt的内容是abcdefg。那么子进程的18行将读到字符ab；由于，父、子进程的文件描述符fd都指向同一个文件表元素，因此当父进程执行23行时，fd对应的文件的读写指针将移动到字符d，而不是字符b，从而24行读到的是字符def，而不是字符bcd。程序运行的最终结果是打印abdef，而不是abbcd。

相对应的，如果是两个进程独立调用open去打开同一个物理文件，就会有2个文件表元素被创建，并且他们都指向同一个i节点表元素。两个文件表元素都有自己独立的current file offset字段，这将导致2个进程独立的对同一个物理文件进行读写，因此第1个进程读取到文件的第1个字符后，第2个进程再去读取该文件时，仍然是读到的是文件的第1个字符，而不是第1个字符的后续字符。

对应用程序员而言，最重要结论是： 如果子进程不打算使用父进程打开的文件，那么应该在fork返回后立即调用close关闭该文件。