欢迎您访问程序员文章站本站旨在为大家提供分享程序员计算机编程知识!
您现在的位置是: 首页  >  运维

服务器编程中对于文件的操作详解

程序员文章站 2022-05-26 08:35:56
...
  linux系统下一切皆文件,通过虚拟文件系统(VFS)的机制将所有底层屏蔽掉,用户可以通过统一的接口来实现对不同驱动的操作,对于每一个文件需要一个引用来指示,此时文件描述符应用而生,文件描述符类似于widows下的handle,对于文件的大部分操作都是通过这个描述符来操作的,例如read,write。对于每一个文件描述符,内核使用三种数据结构来管理。

(1) 每个进程在进程表中都有一个记录项,每个记录项中有一张打开文件描述符表,可将其视为一个矢量,每个描述符占用一项。与每个文件描述符相关联的是:

  (a) 文件描述符标志。 (当前只定义了一个文件描述符标志FD_CLOEXEC)

  (b) 指向一个文件表项的指针。

(2) 内核为所有打开文件维持一张文件表。每个文件表项包含:

  (a) 文件状态标志(读、写、增写、同步、非阻塞等 )。

  (b) 当前文件位移量。(即为lseek函数所操作的值)

  (c) 指向该文件v节点表项的指针。

(3) 每个打开文件(或设备)都有一个 v 节点结构。 v节点包含了文件类型和对此文件进行各种操作的函数的指针信息。对于大多数文件, v 节点还包含了该文件的 i 节点(索引节点)。这些信息是在打开文件时从盘上读入内存的,所以所有关于文件的信息都是快速可供使用的。例如, i 节点包含了文件的所有者、文件长度、文件所在的设备、指向文件在盘上所使用的实际数据块的指针等等点。

服务器编程中对于文件的操作详解

  经过上述文件系统的三层封装,每层负责不同的职责,从上到下第一层用于标识文件,第二层用于管理进程独立数据,第三层管理文件系统元数据,直接关联一个文件。这种分层思想的一个优点就是上层可以复用下层的结构。可能有多个文件描述符项指向同一个文件表项,也可以有多个文件表项指向同一个V节点。

  如果两个独立的进程打开了同一个文件,打开此文件的每个进程都得到一个文件表项,但是两个文件表项的V节点指针指向相同的V节点,这样的安排使得每个进程都有他自己的对该文件的当前位移量,且支持不同的打开方式(O_RDONLY, O_WRONLY, ORDWR)。

  当一个进程通过fork创建出子进程后,此时父,子进程内的文件描述符共享同一个文件表项,也就是说父子进程的文件描述符的指向相同。一般我们会在fork后关闭掉各自不需要的fd,例如父子进程通过pipe或socketpair进行通信,往往会close掉自己不需要读(或写)的一端。只有在没有文件描述符引用当前文件表项的时候,close操作才真正销毁当前文件表项数据结构,有点类似于引用计数的思想。这也是网络编程中close和shutdown函数的区别,前者只有在最后一个使用该socket的句柄的进程关闭的时候才真正断开连接,而后者毫不商量直接断开一侧连接。但是在多线程的环境中,由于父子线程共享地址空间,此时文件描述符共同拥有,只有一份,所以也就不能在线程内close掉自己不需要的fd,否则会导致其它需要该fd的线程也受影响。因为父,子进程内打开的文件描述符共享同一个文件表项,所以在某些系统的服务器编程中,如果采用preforking模型(服务器预先派生多个子进程,在每个子进程监听listenfd来accept连接)就会导致惊群现象的发生,服务器派生的多个子进程各自调用accept并因而均被投入睡眠,当第一个客户连接到达时,尽管只有一个进程获得连接,但是所有进程都被唤醒,这样导致性能受损。参见UNP P657。

  同时如果fork之后调用exec,所有的文件描述符继续保持打开状态。这可以用来给exec后的程序传递某些文件描述符。同时文件描述符标志FD_CLOEXEC 就是用来关闭exec时继续保持开放的文件描述符的选项。

  也可以通过dup或fcntl显式复制一个文件描述符,他们指向相同的文件表项。通过dup2将文件描述符复制到制定数值。

  每个进程都有一个文件描述符表,进程间独立,两个进程之间的文件描述符并无直接关系,所以在进程内可以直接传递文件描述符,但是如果跨越进程传递就失去了意义,unix可以通过sendmsg/recvmsg进行专门的文件描述符的传递(参见书UNP 15.7节)。每个进程的前三个文件描述符分别对应标准输入,标准输出,标准错误。但是一个进程可打开的文件描述符数量是有限制的,如果打开的文件描述符太多会出现”Too many open files”的问题。在网络服务器中,通过listenfd调用调用accept时,体现为产生EMFILE错误,这主要是因为文件描述符是系统的一个重要资源,系统资源是有尽的,系统对单一进程文件描述符限制默认值一般是1024,使用ulimit -n命令可以查看。当然也可以调高进程文件描述符数目,但这是治标不治本的方法,因为处理高并发服务时,服务器资源有限,难免资源枯竭。

  当结合epoll的水平触发方式来监听lisenfd的连接时,大量socket连接涌来如果不处理会塞满TCP的连接队列,listenfd会一直产生可读事件,将服务器陷入忙等待,用C++开源网络库muduo作者陈硕的做法是事先准备一个空闲的文件描述符,当产生EMFILE错误时就先关闭这个空闲文件,获得一个文件描述符名额,再accept拿到一个socket连接的文件描述符,随后立刻close,这样就优雅的断开了与客户端的连接,最后重新打开空闲文件,把”坑”填上,以备再次出现这种情况时使用。

 1 //在程序开头先”占用”一个文件描述符 2  3 int idlefd = open("/dev/null", O_RDONLY | O_CLOEXEC); 4 ………… 5  6 //然后当出现EMFILE错误的时候处理这个错误 7  8 peerlen = sizeof(peeraddr); 9 connfd = accept4(listenfd,  (struct sockaddr*)&peeraddr, &peerlen, SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC);10 11 if (connfd == -1)12 {13     if (errno == EMFILE)14     {15         close(idlefd);16         idlefd = accept(listenfd, NULL, NULL);17         close(idlefd);18         idlefd = open("/dev/null", O_RDONLY | O_CLOEXEC);19         continue;20     }21     else22         ERR_EXIT("accept4");23 }

以上就是服务器编程中对于文件的操作详解的详细内容,更多请关注其它相关文章!