Linux文件描述符

Linux文件描述符

一、文件描述符（fd）

文件描述符（file descriptor）是内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引，其是一个非负整数（通常是小整数），用于指代被打开的文件，所有执行I/O操作的系统调用都通过文件描述符。
我们都知道在Linux下一切皆文件。当然设备也不例外，如果要对某个设备进行操作，就不得不打开此设备文件，打开文件就会获得该文件的文件描述符fd( file discriptor), 它就是一个很小的整数，每个进程在PCB（Process Control Block）中保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每个表项都有一个指向已打开文件的指针。

要理解文件描述符，必须先理解这三个表的结构
理解具体情况，需要了解由内核维护的3个数据结构：

进程级文件描述符表(file descriptor table)

系统级打开文件表(open file table)

文件系统i-node表(i-node table)

再多看一张图，你就会对整体的结构有更清晰的了解：

struct FILE
{
    char *_ptr;//文件输入的下一个位置
    int _cnt;//当前缓冲区的相对位置
    char *_base;//指基础位置（文件的起始位置）
    int _flag;//文件标志
    int _file;//文件的有效性验证
    int _charbuf;//检查缓冲区状况，如果缓冲区则不读取
    int _bufsiz;//文件的大小
    char *_tmpfname;//临时文件名
};

文件描述符	缩写	描述
0	STDIN	标准输入
1	STDOUT	标准输出
2	STDERR	标准错误输出

图中文件描述符即为文件描述符数组的下标
文件描述符的分配规律：从当前未使用的最小的整数开始分配；
文件描述符的缺点：
不能移植到UNIX以外的系统上去，也不直观。

举一个系统函数的例子：ssize_t write ( int fd, const void *buf, size_t count);
write: 是系统写函数 fd: 文件描述符 （一个整数） *buf: 内容写在哪里 count: 一次写多少个；

概括：
每一个进程在PCB（Process Control Block）即进程控制块中都保存着一分文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，文件描述符表中每个表项都有一个指向已打开文件的指针。现在我们明确一下：已打开的文件在内核中用file结构体表示，文件描述符表中的指针指向file结构体。

fd详解
fd：为打开文件的文件描述符，而每个进程都有一张文件描述符表，fd文件描述符就是这张表的索引，同样这张表中有一表项，该表项又是指向前面提到打开文件的file结构体，file结构体才是内核中用来描述文件属性的结构体。

文件打开表

在Linux中，进程是通过文件描述符（file descriptors，简称fd）而不是文件名来访问文件的，文件描述符实际上是一个整数。Linux中规定每个进程能最多能同时使用NR_OPEN个文件描述符，这个值在fs.h中定义，为1024*1024（2.0版中仅定义为256）。

每个文件都有一个32位的数字来表示下一个读写的字节位置，这个数字叫做文件位置。每次打开一个文件，除非明确要求，否则文件位置都被置为0，即文件的开始处，此后的读或写操作都将从文件的开始处执行，但你可以通过执行系统调用LSEEK（随机存储）对这个文件位置进行修改。Linux中专门用了一个数据结构file来保存打开文件的文件位置，这个结构称为打开的文件描述（open
file description）。

file结构在include\linux\fs.h中定义如下： struct file

{

struct list_head f_list; /所有打开的文件形成一个链表/

struct dentry *f_dentry; /指向相关目录项的指针/

struct vfsmount *f_vfsmnt; /指向VFS安装点的指针/

struct file_operations *f_op; /指向文件操作表的指针/

mode_t f_mode; /文件的打开模式/

loff_t f_pos; /文件的当前位置/

unsigned short f_flags; /打开文件时所指定的标志/

unsigned short f_count; /使用该结构的进程数/

unsigned long f_reada, f_ramax, f_raend, f_ralen, f_rawin;

/预读标志、要预读的最多页面数、上次预读后的文件指针、预读的字节数以及预读的页面数/

int f_owner; /* 通过信号进行异步I/O数据的传送*/

unsigned int f_uid, f_gid; /用户的UID和GID/

int f_error; /网络写操作的错误码/

unsigned long f_version; /版本号/

void private_data; / tty驱动程序所需 */

};

f_list：所有的打开的文件形成的链表！注意一个文件系统所有的打开的文件都通过这个链接到super_block中的s_files链表中！
f_dentry：与该文件相关的dentry f_vfsmnt：该文件在这个文件系统中的安装点
f_op：文件操作，当进程打开文件的时候，这个文件的关联inode中的i_fop文件操作会初始化这个f_op字段 f_count：引用计数
f_flags：打开文件时候指定的标识 f_mode：文件的访问模式 f_pos：目前文件的相对开头的偏移 unsigned long
f_reada, f_ramax, f_raend, f_ralen,
f_rawin：预读标志、要预读的最多页面数、上次预读后的文件指针、预读的字节数以及预读的页面数
f_owner：记录一个进程ID，以及当某些事发送的时候发送给该ID进程的信号 f_uid：用户ID f_gid：组ID
f_error：写操作错误码 f_version：版本号，当f_pos改变时候，version递增 private_data：私有数据(
文件系统和驱动程序使用 )

重点解释一些重要字段：
首先，f_flags、f_mode和f_pos代表的是这个进程当前操作这个文件的控制信息。这个非常重要，因为对于一个文件，可以被多个进程同时打开，那么对于每个进程来说，操作这个文件是异步的，所以这个三个字段就很重要了。
第二：对于引用计数f_count，当我们关闭一个进程的某一个文件描述符时候，其实并不是真正的关闭文件，仅仅是将f_count减一，当f_count=0时候，才会真的去关闭它。对于dup，fork这些操作来说，都会使得f_count增加，具体的细节，以后再说。
第三：f_op也是很重要的！是涉及到所有的文件的操作结构体。例如：用户使用read，最终都会调用file_operations中的读操作，而file_operations结构体是对于不同的文件系统不一定相同。里面一个重要的操作函数式release函数，当用户执行close时候，其实在内核中是执行release函数，这个函数仅仅将f_count减一，这也就解释了上面说的，用户close一个文件其实是将f_count减一。只有引用计数减到0才关闭文件。

内核中，对应于每个进程都有一个文件描述符表，表示这个进程打开的所有文件。文件描述表中每一项都是一个指针，指向一个用于描述打开的文件的数据块———file对象，file对象中描述了文件的打开模式，读写位置等重要信息，当进程打开一个文件时，内核就会创建一个新的file对象。需要注意的是，file对象不是专属于某个进程的，不同进程的文件描述符表中的指针可以指向相同的file对象，从而共享这个打开的文件。file对象有引用计数，记录了引用这个对象的文件描述符个数，只有当引用计数为0时，内核才销毁file对象，因此某个进程关闭文件，不影响与之共享同一个file对象的进程.

file对象中包含一个指针，指向dentry对象。dentry对象代表一个独立的文件路径，如果一个文件路径被打开多次，那么会建立多个file对象，但它们都指向同一个dentry对象。

dentry对象中又包含一个指向inode对象的指针。inode对象代表一个独立文件。因为存在硬链接与符号链接，因此不同的dentry对象可以指向相同的inode对象.inode 对象包含了最终对文件进行操作所需的所有信息，如文件系统类型、文件的操作方法、文件的权限、访问日期等。

fd只是一个整数，在open时产生。起到一个索引的作用，进程通过PCB中的文件描述符表找到该fd所指向的文件指针filp。 打开文件后，进程得到的文件描述符实质上就是文件描述符表的下标，内核根据这个下标值去访问相应的文件对象，从而实现对文件的操作。

注意，同一个进程多次打开同一个文件时，内核会创建多个file对象。

当进程使用fork系统调用创建一个子进程后，子进程将继承父进程的文件描述符表，因此在父进程中打开的文件可以在子进程中用同一个描述符访问。

注意上面的file只是对一个文件而言，对于一个进程(用户)来说，可以同时处理多个文件，所以需要另一个结构来管理所有的files！
即：用户打开文件表—>files_struct

struct files_struct { atomic_t count; rwlock_t
file_lock; /* Protects all the below members. Nests inside
tsk->alloc_lock / int max_fds; int max_fdset;
int next_fd; struct file ** fd; / current fd array */
fd_set *close_on_exec; fd_set *open_fds; fd_set
close_on_exec_init; fd_set open_fds_init; struct
file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; };

解释一些字段：

count：引用计数 file_lock：锁，保护下面的字段 max_fds：当前文件对象的最大的数量 max_fdset：文件描述符最大数
next_fd：已分配的最大的文件描述符+1
fd：指向文件对象指针数组的指针，一般就是指向最后一个字段fd_arrray，当文件数超过NR_OPEN_DEFAULT时候，就会重新分配一个数组，然后指向这个新的数组指针！
close_on_exec：执行exec()时候需要关闭的文件描述符 open_fds：指向打开的文件描述符的指针
close_on_exec_init：执行exec()时候需要关闭的文件描述符初始化值 open_fds_init：文件描述符初值集合
fd_array：文件对象指针的初始化数组

这里补充一点i-node表的知识：
i-node表
每个文件系统会为存储于其上的所有文件(包括目录)维护一个i-node表，单个i-node包含以下信息：
•文件类型(file type)，可以是常规文件、目录、套接字或FIFO
•访问权限
•文件锁列表(file locks)
•文件大小

fs_struct结构体定义如下：

我看网上有两种论调，也不知道这两种说法是都对了还是只对其一，请看如下两张图：
关于FILE结构体的第一种说法是int _file是文件描述符，这里我就就不懂了，我们知道，文件描述符其实就是一个打开文件的索引，他是存放在文件描述符表中的，仅此而已，与具体文件结构有什么关系，一个文件创建出来的时候，这个索引它自己本什么怎么可能知道。而且我们必须要知道还有一个文件打开表，这是系统级的一个表，主要记录的打开的文件的文件偏移量、状态、i-node节点。

还有一种说如下：