Linux | 文件描述符

Linux | 文件描述符

1. 文件描述符概述

在 Linux 系统里，文件描述符（File Descriptor）是一个非负整数，它是对文件或者 I/O 设备（如键盘、显示器等）的抽象表示。当进程打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核会为该进程分配一个文件描述符，进程通过这个文件描述符来对文件进行各种操作，例如读取、写入、关闭等。

每个进程都有一个对应的文件描述符表，文件描述符就是该表的索引。系统默认会为每个进程打开三个标准的文件描述符：

• 标准输入（stdin）：文件描述符为 0，通常关联键盘，用于读取用户输入。
• 标准输出（stdout）：文件描述符为 1，通常关联显示器，用于输出信息。
• 标准错误（stderr）：文件描述符为 2，也关联显示器，主要用于输出错误信息。

2. 与文件描述符关联的数据结构

2.1 进程级的文件描述符表（struct files_struct）

每个进程都有一个 files_struct 结构体，它管理着该进程打开的所有文件描述符。这个结构体包含一个指针数组，数组的索引就是文件描述符，每个数组元素指向一个 file 结构体。

struct files_struct {
    atomic_t count;
    struct fdtable __rcu *fdt;
    struct fdtable fdtab;
    // 其他成员...
};

• count：表示当前结构体的引用计数。
• fdt：指向一个 fdtable 结构体，该结构体包含了文件描述符表的具体信息。

2.2 文件描述符表项（struct fdtable）

fdtable 结构体包含了文件描述符数组以及其他相关信息，它是 files_struct 结构体中 fdt 指针所指向的对象。

struct fdtable {
    unsigned int max_fds;
    struct file __rcu **fd;      /* current fd array */
    unsigned long *close_on_exec;
    unsigned long *open_fds;
    unsigned long *full_fds_bits;
    struct rcu_head rcu;
    // 其他成员...
};

• max_fds：表示当前文件描述符表的最大容量。
• fd：是一个指向 file 结构体指针的数组，数组的索引就是文件描述符。

2.3 文件对象（struct file）

file 结构体代表一个打开的文件，它包含了文件的状态信息、文件偏移量、操作函数指针等。

struct file {
    //.....
    atomic_long_t f_count;		/*引用计数，管理文件对象的生命周期*/
    struct mutex f_pos_lock;	/*保护文件未知的互斥锁*/
    loff_t f_pos;				/*当前文件位置（读写位置）*/
    //.....    
    struct path  f_path;		/*记录文件路径*/
    struct inode *f_inode;      /*指向与文件相关联的inode对象的指针，该对象用于维护文件元数据，如文件类型、访问权限等*/
    const struct file_operations *f_op;
    							/*指向文件操作函数表的指针，定义了文件支持的操作，如读、写、锁定等*/
    unsigned int f_flags;		/*表示文件的打开标志，如`O_RDONLY`、`O_WRONLY`等*/
    fmode_t f_mode;				/*表示文件的访问模式*/		
    // 其他成员...
};

2.4 索引节点（struct inode）

inode 结构体代表文件在磁盘上的元数据，包含了文件的权限、大小、创建时间、数据块位置等信息。

struct inode {
    umode_t           i_mode;
    unsigned short    i_opflags;
    kuid_t            i_uid;
    kgid_t            i_gid;
    unsigned int      i_flags;
    const struct inode_operations *i_op;
    struct super_block *i_sb;
    struct address_space *i_mapping;
    // 其他成员...
};

• i_mode：表示文件的权限和类型。
• i_uid 和 i_gid：分别表示文件的所有者用户 ID 和组 ID。
• i_op：指向一个 inode_operations 结构体，该结构体包含了对 inode 进行各种操作的函数指针。
• i_sb：指向文件所在的超级块结构体。

3. 数据结构之间的关系

当一个进程调用 open 系统调用打开一个文件时，内核会进行以下操作：

1. 在内核中创建一个 file 结构体，用于表示这个打开的文件，并初始化其成员变量，如 f_flags、f_mode 等。
2. 从进程的 files_struct 结构体中找到一个空闲的文件描述符，该文件描述符对应的 fdtable 数组元素指向新创建的 file 结构体。
3. 根据文件路径找到对应的 inode 结构体，并将 file 结构体中的 f_inode 指针指向该 inode 结构体。

这样，进程就可以通过文件描述符访问对应的 file 结构体，进而通过 file 结构体中的 f_op 指针调用相应的操作函数对文件进行读写等操作。

4. 文件描述符相关系统调用

4.1 open 函数

open 函数用于打开或创建一个文件，并返回一个文件描述符。其原型如下：

#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

• pathname：要打开或创建的文件的路径。
• flags：打开文件的方式，例如 O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（读写）等。
• mode：如果创建新文件，指定文件的权限，例如 0666 表示所有用户都有读写权限。

4.2 read 函数

read 函数用于从文件描述符对应的文件中读取数据。其原型如下：

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

• fd：文件描述符。
• buf：用于存储读取数据的缓冲区。
• count：要读取的字节数。

4.3 write 函数

write 函数用于向文件描述符对应的文件中写入数据。其原型如下：

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

• fd：文件描述符。
• buf：要写入的数据的缓冲区。
• count：要写入的字节数。

4.4 close 函数

close 函数用于关闭一个文件描述符，释放相关资源。其原型如下：

#include <unistd.h>

int close(int fd);

• fd：要关闭的文件描述符。

5. 代码示例及现象观察

5.1 示例代码

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int fd;
    char buffer[BUFFER_SIZE] = "Hello, File Descriptor!";
    char read_buffer[BUFFER_SIZE];

    // 打开一个文件，如果文件不存在则创建，以只写模式打开
    fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 从数据结构角度看，此时内核创建了 file 结构体，从进程的 files_struct 找到空闲 fd 指向该 file 结构体，file 结构体的 f_inode 指向文件对应的 inode 结构体

    // 向文件中写入数据
    ssize_t bytes_written = write(fd, buffer, strlen(buffer));
    if (bytes_written == -1) {
        perror("write");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("Written %zd bytes to test.txt\n", bytes_written);

    // 关闭文件
    if (close(fd) == -1) {
        perror("close");
        return 1;
    }

    // 以只读模式打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 从文件中读取数据
    ssize_t bytes_read = read(fd, read_buffer, BUFFER_SIZE);
    if (bytes_read == -1) {
        perror("read");
        close(fd);
        return 1;
    }
    read_buffer[bytes_read] = '\0';
    printf("Read %zd bytes from test.txt: %s\n", bytes_read, read_buffer);

    // 关闭文件
    if (close(fd) == -1) {
        perror("close");
        return 1;
    }

    return 0;
}

5.2 代码解释

• 打开文件：使用 open 函数以只写模式打开 test.txt 文件，如果文件不存在则创建，同时截断文件内容。如果打开成功，会返回一个文件描述符。从数据结构角度，内核会创建一个 file 结构体，从进程的 files_struct 中找到一个空闲的文件描述符，让该文件描述符对应的 fdtable 数组元素指向新创建的 file 结构体，并且 file 结构体中的 f_inode 指针会指向文件对应的 inode 结构体。
• 写入数据：使用 write 函数将字符串 "Hello, File Descriptor!" 写入文件。此操作会通过文件描述符找到对应的 file 结构体，然后根据 file 结构体中的 f_op 指针调用相应的写入函数。
• 关闭文件：使用 close 函数关闭文件描述符，释放资源。此时会减少 file 结构体的引用计数 f_count，当引用计数为 0 时，内核会释放 file 结构体。
• 再次打开文件：以只读模式打开 test.txt 文件，重复上述打开文件的流程。
• 读取数据：使用 read 函数从文件中读取数据，并将其存储在 read_buffer 中。同样是通过文件描述符找到 file 结构体，调用 f_op 中的读取函数。
• 输出结果：将读取到的数据输出到终端。

5.3 编译和运行

将上述代码保存为 file_descriptor.c，然后使用以下命令编译和运行：

gcc -o file_descriptor file_descriptor.c
./file_descriptor

5.4 现象观察

• 运行程序后，会在当前目录下创建一个 test.txt 文件，并将字符串 "Hello, File Descriptor!" 写入该文件。
• 程序会输出写入和读取的字节数，以及读取到的内容。

6. 标准文件描述符示例

#include <unistd.h>

int main() {
    const char *message = "Hello, Standard Output!\n";
    // 使用标准输出文件描述符（1）写入数据
    write(1, message, strlen(message));

    return 0;
}

在这个示例中，我们直接使用标准输出的文件描述符（1）将字符串 "Hello, Standard Output!" 输出到终端。编译并运行该程序，你会看到字符串显示在终端上。标准文件描述符对应的 file 结构体在进程启动时就已经初始化好，分别关联到标准输入、标准输出和标准错误设备。