OS / Linux / 文件描述符以及 file 结构体

零、前言

程序可以理解为硬盘上的普通二进制文件；进程是加载到内存中的二进制文件，除了加载到内存中的二进制文件外，还附有所有对于该二进制文件描述信息的结构体，描述该进程的结构体叫PCB（进程控制块），在这就不在讨论。对于程序与进程，也就可以简单地理解为是否有PCB（进程控制块）。下面我们再来讨论 PCB 与 file_struct 的关系。

在每一个PCB中，都有一个文件描述符表，通过文件描述符索引指向 file 结构体（系统打开文件表）。

文件描述符在形式上是一个非负整数，实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表，当程序打开一个现有文件或创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。也就是说，一个程序能够访问文件是因为给这个程序分配了文件描述符。

下面我们来讨论 file 结构体里面具体有哪些内容，file 结构体定义在 linux 系统中的（/kernels/include/linus/fs.h）文件中。

一、file 结构体

struct file
{union{struct list_head fu_list;   //文件对象链表指针 linux/include/linux/list.h 。struct rcu_head fu_rcuhead; //RCU（Read-Copy Update）是 Linux 2.6 内核中新的锁机制。} f_u;struct path f_path;           //包含 dentry 和 mnt 两个成员，用于确定文件路径。
#define f_dentry f_path.dentry    //f_path 的成员之一，当统的挂载根目录。const struct file_operations; //*f_op; 与该文件相关联的操作函数。atomic_t f_count;             //文件的引用计数(有多少进程打开该文件)。unsigned int f_flags;         //对应于 open 时指定的 flag 。mode_t f_mode;                //读写模式：open 的 mod_t mode 参数。off_t f_pos;                  //该文件在当前进程中的文件偏移量。struct fown_struct f_owner;   //该结构的作用是通过信号进行 I/O 时间通知的数据。unsigned int f_uid, f_gid;    //文件所有者 id，所有者组 id。struct file_ra_state f_ra;    //在 linux/include/linux/fs.h 中定义，文件预读相关。unsigned long f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITYvoid *f_security;
#endif 　　void *private_data;
#ifdef CONFIG_EPOLLstruct list_head f_ep_links;spinlock_t f_ep_lock;
#endif 　struct address_space *f_mapping;
};

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。

当然其中还定义了许多结构体等内容，这里就不在深究，下面我们来讨论一个 fd 与 files_struct 的关系。files_struct 不同于 file 结构体。在这里要区分清楚。

二、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 **);
};

文件描述符（file）是操作系统用来管理文件的数据结构，fd 就是 fd_array 的索引，FILE * 指针值就是该 fd_array 数组中元素的值，也就是 file 结构体的地址。

三、files_struct

每个进程用一个 files_struct 结构来记录文件描述符的使用情况，这个 files_struct 结构称为用户打开文件表，它是进程的私有数据。

files_struct 结构在 include/linux/fdtable.h 中定义如下：

struct files_struct
{atomic_t count;     /* 共享该表的进程数 */rwlock_t file_lock; /* 保护以下的所有域,以免在tsk->alloc_lock中的嵌套*/int max_fds;        /*当前文件对象的最大数*/int max_fdset;      /*当前文件描述符的最大数*/int next_fd;/*已分配的文件描述符加1 */struct file **fd;          /* 指向文件对象指针数组的指针 */fd_set *close_on_exec;     /*指向执行exec( )时需要关闭的文件描述符*/fd_set *open_fds;          /*指向打开文件描述符的指针*/fd_set close_on_exec_init; /* 执行exec( )时需要关闭的文件描述符的初 值集合*/fd_set open_fds_init;      /*文件描述符的初值集合*/struct file *fd_array[32]; /* 文件对象指针的初始化数组*/
};

四、概括

参考：https://www.cnblogs.com/xiangtingshen/p/11961434.html

（SAW：Game Over！）