关于文件描述符（file_struct）

旧城等待， 2022-07-11 01:47 203阅读 0赞

## 什么是文件描述符 ##

![这里写图片描述][SouthEast]  
文件描述符（file\_struct）是一个非负整数，对于Linux内核而言，为了高效管理已经被打开的文件所创建的索引，操作系统在每个进程描述符中都提供了文件描述符表，文件描述符表中每个表项都有一个指向已经打开文件的指针；而已经打开的文件在内核中用file结构体表示，文件描述符中的指针指向file结构体；下面，我们首先来介绍一下file结构体：

### 什么是file结构体 ###

file结构体定义在linux系统中的(/kernels/include/linus/fs.h)文件中，它的源代码如下：

struct file {
        /*
         * fu_list becomes invalid after file_free is called and queued via
         * fu_rcuhead for RCU freeing
         */
        union {
            struct list_head    fu_list;
            struct rcu_head     fu_rcuhead;
        } f_u;
        struct path     f_path;
    #define f_dentry    f_path.dentry
    #define f_vfsmnt    f_path.mnt
        const struct file_operations    *f_op;
        spinlock_t      f_lock;  /* f_ep_links, f_flags, no IRQ */
        atomic_long_t       f_count;
        unsigned int        f_flags;
        fmode_t         f_mode;
        loff_t          f_pos;
        struct fown_struct  f_owner;
        const struct cred   *f_cred;
        struct file_ra_state    f_ra;
    
        u64         f_version;
    #ifdef CONFIG_SECURITY
        void            *f_security;
    #endif
        /* needed for tty driver, and maybe others */
        void            *private_data;
    
    #ifdef CONFIG_EPOLL
        /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
        struct list_head    f_ep_links;
    #endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
        struct address_space    *f_mapping;
    #ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT
        unsigned long f_mnt_write_state;
    #endif
    };

其中重要参数参数介绍如下：  
**f\_flags**:表示打开文件的权限  
**f\_pos**:表示当前读写文件的位置  
**f\_count**:这个是一个相对来说比较重要的参数,表示打开文件的引用计数，如果有多个文件指针指向它，就会增加f\_count的值。  
**f\_mode**:设置对文件的访问模式,例如：只读，只写等。

### file\_operations ###

当我们打开一个文件时，操作系统为了管理所打开的文件，都会为这个文件创建一个file结构体，而file结构体中的f\_op指针又指向**file\_operations**结构体，这个结构体中的成员除了**struct module\* owner** 其余都是函数指针，file\_operation就是把系统调用和驱动程序关联起来的关键数据结构。这个结构的每一个成员都对应着一个系统调用。读取file\_operation中相应的函数指针，接着把控制权转交给函数，从而完成了Linux设备驱动程序的工作。

我们先来看看file\_operations结构体的实现和相关成员的介绍：

struct file_operations {
        struct module *owner;               
        //指向拥有该模块的指针；
        loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);   
        //llseek 方法用作改变文件中的当前读/写位置, 并且新位置作为(正的)返回值. 
        ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);  
        //用来从设备中获取数据. 在这个位置的一个空指针导致 read 系统调用以 -EINVAL("Invalid argument") 失败. 一个非负返回值代表了成功读取的字节数( 返回值是一个 "signed size" 类型, 常常是目标平台本地的整数类型).
        ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
        //发送数据给设备. 如果 NULL, -EINVAL 返回给调用 write 系统调用的程序. 如果非负, 返回值代表成功写的字节数.
        ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
        //初始化一个异步读 -- 可能在函数返回前不结束的读操作.
        ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
        //初始化设备上的一个异步写.
        int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
        //对于设备文件这个成员应当为 NULL; 它用来读取目录, 并且仅对**文件系统**有用.
        unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
        int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
        long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
        long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
        int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
        //mmap 用来请求将设备内存映射到进程的地址空间. 如果这个方法是 NULL, mmap 系统调用返回 -ENODEV.
        int (*open) (struct inode *, struct file *);
        //打开一个文件
        int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
        //flush 操作在进程关闭它的设备文件描述符的拷贝时调用;
        int (*release) (struct inode *, struct file *);
        //在文件结构被释放时引用这个操作. 如同 open, release 可以为 NULL.
        int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
        //用户调用来刷新任何挂着的数据.
        int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
        int (*fasync) (int, struct file *, int);
        int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
        //lock 方法用来实现文件加锁; 加锁对常规文件是必不可少的特性, 但是设备驱动几乎从不实现它.
        ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
        unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
        int (*check_flags)(int);
        int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
        ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
        ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
        int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
    };

好了，上面我们介绍了file和file\_operations结构体，下面我们来画一幅图，理清一下文件描述符和这两种结构体之间的关系：  
![这里写图片描述][SouthEast 1]

## 关于文件描述符的相关应用 ##

首先我们来看看Linux系统中所定义的三个标准文件描述符：  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

前面我们知道，当我们打开一个文件或者创建一个文件，操作系统就会给指向这个文件的指针关联一个文件描述符，并添加到当前进程下的文件描述符表中；那么操作系统每次会怎样分配文件描述符呢？？？是这样做了，操作系统所分配的文件描述符是当前可分配的文件描述符的最小值！我们写一段代码来验证一下：  
![这里写图片描述][SouthEast 3]  
还要注意的文件描述符的分配数量是有限制的，它的可分配范围为：0~ **OPEN\_MAX-1**;

## 总结 ##

文件描述符(file\_struct)是操作系统用来管理文件的数据结构,当我们创建一个进程时，会创建文件描述符表，进程控制块PCB中的fs指针指向文件描述符表，当我们创建文件时，会为指向该文件的指针FILE\*关联一个文件描述符并添加在文件描述符表中。在文件描述符表中fd相当于数组的索引，FILE\*相当于数组的内容吗，指向一个文件结构体。

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[SouthEast 2]: /images/20220711/41060f3acf7446d499cd0e56674ba05e.png
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