【Linux】File 结构体，和 fd 的关系
来源：互联网 发布：美分知乎 编辑：程序博客网 时间：2024/05/29 16:40
1. struct file
struct file 结构体在 include/linux/fs.h 中定义。文件结构体代表一个打开的文件，系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的 struct file。它由内核在打开文件时创
建，并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。在内核创建和驱动源码中，struct file 的指针通常被命名为 file 或 filp 。
下面我们来展示 struct file 最重要的成员：
1）mode_t f_mode
文件模式确定文件是可读的或者可写的(或者都是)，通过 位FMODE_READ和 FMODE_WRITE。
2）loff_t f_pos
当前读写位置， loff_t 在所有平台都是 64 位( 在 gcc术语里是 long long)。 驱动可以读这个值，如果它需要知道文件中的当前位置，但是正常地不应该改变它；读和写应当使用它们作为最后参数而收到的指针来更新一个位置，代替直接作用于 filp->f_pos。这个规则的一个例外是在 lseek 方法中，它的目的就是改变文件位置。
3）unsigned int f_flags
这些是文件标志，例如 O_RDONLY，O_NONBLOCK，和 O_SYNC。驱动应当检查 O_NONBLOCK 标志来看是否是请求非阻塞操作；其他标志很少使用。特别地，应当检查读/写许可，使用 f_mode 而不是 f_flags。所有的标志在头文件 <linux/fcntl.h> 中定义。
4）struct file_operations *f_op
和文件关联的操作。内核安排指针作为它的 open 实现的一部分，接着读取它当它需要分派任何的操作时，filp->f_op 中的值从不由内核保存为后面的引用；这意味着你可改变你的文件关联的文件操作，在你返回调用者之后新方法会起作用。例如，关联到主编号 1 (/dev/null，/dev/zero 等等)的 open 代码根据打开的次编号来替代 filp->f_op 中的操作。这个做法允许实现几种行为，在同一个主编号下而不必在每个系统调用中引入开销。替换文件操作的能力是面向对象编程的“方法重载”的内核对等体。
5）void *private_data
open 系统调用设置这个指针为 NULL，在为驱动调用 open 方法之前。你可自由使用这个成员或者忽略它；你可以使用这个成员来指向分配的数据，但是接着你必须记住在内核销毁文件结构之前，在 release 方法中释放那个内存。 private_data 是一个有用的资源，在系统调用间保留状态信息，我们大部分例子模块都使用它。
6）struct dentry *f_dentry
关联到文件的目录入口(dentry)结构。设备驱动编写者正常地不需要关心 dentry 结构，除了作为 filp->f_dentry->d_inode 存取 inode 结构。
file 结构如下所示：
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 #define f_dentry f_path.dentry //f_path的成员之一，当前文件的 dentry 结构 } f_u; struct path f_path; //包含 dentry 和 mnt 两个成员，用于确定文件路径 const struct file_operations *f_op; //与该文件相关联的操作函数 #define f_vfsmnt f_path.mnt //表示当前文件所在文件系统的挂载根目录 atomic_t f_count; //文件的引用计数(有多少进程打开该文件) off_t f_pos; //该文件在当前进程中的文件偏移量 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 struct file_ra_state f_ra; //在 linux/include/linux/fs.h 中定义，文件预读相关 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 unsigned long f_version; spinlock_t f_ep_lock; #ifdef CONFIG_SECURITY void *f_security; #endif void *private_data; #ifdef CONFIG_EPOLL struct list_head f_ep_links; #endif }; struct address_space *f_mapping;
2. Linux 文件描述符与 C FILE之间的关系
1. linux 文件描述符
对于 linux 而言，所有对设备和文件的操作都是使用文件描述符来进行的。文件描述符是一个非负的整数，它是一个索引值，指向内核中每个进程打开文件的记录表。当打开一个现存文件或创建一个新文件时，内核就向进程返回一个文件描述符；当需要读写文件时，也需要把文件描述符作为参数传递给相应的函数。通常，一个进程启动时，都会打开 3 个文件：标准输入、标准输出和标准出错处理。这 3 个文件分别对应文件描述符为0、1和2（宏 STD_FILENO、STDOUT_FILENO 和STDERR_FILENO）。
2.内核中的实现细节：
linux 用一个数组来管理进程打开的文件的 file 对象，数组中的每一个元素都存放了一个指向进程所打开的文件的 file 对象。数组的下标用来访问文件。linux 把数组元素的下标叫做该数组元素所对应文件的文件描述符，这个描述符就是系统对文件的标识，也叫做文件描述符数组。（注：内核可以通过系统调用函数 dup( )、dup2( ) 和 fctl( ) 将数组中的多个元素指向同一个文件的 file 对象。即同一个文件可以有多个文件描述符。）文件描述符表在 files_struct 结构中定义，为 structfile*fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; 进程与文件系统及其所打开文件的关系如图所示：
3.进程打开一个文件的具体流程
进程通过系统调用 open( ) 来打开一个文件，实质上是获得一个文件描述符，以便进程通过文件描述符为连接对文件进行其他操作。进程打开文件时，会为该文件创建一个 file对象，并把该 file 对象存入进程打开文件表中（文件描述符数组），进而确定了所打开文件的文件描述符。open( ) 操作在内核里通过 sys_open( ) 实现，sys_open( ) 将创建文件的 dentry、inode 和 file 对象，并在 file_struct 结构体的进程打开文件表 fd_array[NR_OPEN_DEFAULT] 中寻找一个空闲表项，然后返回这个表项的下标（索引），即文件描述符。创建文件的 file 对象时，将 file 对象的 f_op 指向了所属文件系统的操作函数集 file_operations，而该函数集又来自具体文件的i节点，于是虚拟文件系统就与实际文件系统的操作衔接起来了。
4. C 标准库中的 FILE 结构和文件描述符、files_struct 和 file 结构之间的关系早期的 C 标准库中，FILE 在 stdio.h 中定义；Turbo C 中，参见谭浩强的《C程序设计》，FILE 结构体中包含成员 fd，即文件描述符。在 glibc- 2.9 中，stdio.h 中定义 FILE为 _IO_FILE 类型，而 FILE 为 _IO_FILE 在 /glibc-2.9/libio/libio.h 中定义，如下所示，亦可以在安装的 Ubuntu 系统的 /usr/include/stdio.h 中找到：
struct _IO_FILE { int _flags; /* High-order word is _IO_MAGIC; restis flags. */#define _IO_file_flags _flags /* The following pointerscorrespond to the C++ streambuf protocol. */ /* Note: Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_endfields directly. */ char* _IO_read_ptr; /* Current read pointer */ char* _IO_read_end; /* End of get area. */ char* _IO_read_base; /* Start of putback+get area. */ char* _IO_write_base; /* Start of put area. */ char* _IO_write_ptr; /* Current put pointer. */ char* _IO_write_end; /* End of put area. */ char* _IO_buf_base; /* Start of reserve area. */ char* _IO_buf_end; /* End of reserve area. */ /* The following fields areused to support backing up and undo. */ char *_IO_save_base; /*Pointer to start of non-current get area. */ char *_IO_backup_base; /* Pointer to first valid character of backuparea */ char *_IO_save_end; /*Pointer to end of non-current get area. */ struct _IO_marker *_markers; struct _IO_FILE *_chain; int _fileno;#if 0 int _blksize;#else int _flags2;#endif _IO_off_t _old_offset; /*This used to be _offset but it's too small. */#define __HAVE_COLUMN /* temporary */ /* 1+column number ofpbase(); 0 is unknown. */ unsigned short _cur_column; signed char _vtable_offset; char _shortbuf[1]; /* char* _save_gptr; char* _save_egptr; */ _IO_lock_t *_lock;#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE};当然，上面的结构体太复杂，我们只关心需要的部分-文件描述符即可。文件描述符的分配是从小到大逐个查询文件描述符是否已经使用，然后再分配。
file 在 /include/linux/fs.h 中定义，从进程的角度来看，文件就是一个 file 结构的实例，也常常叫 file 对象。file 对象是进程调用open 打开一个文件，linux 虚拟文件系统根据进程请求创建的一个 file 对象。进程通过该文件的 file 结构了解和操作文件。
struct file { /* * fu_list becomes invalid after file_free iscalled 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; atomic_t f_count; unsigned int f_flags;mode_t f_mode; loff_t f_pos; struct fown_struct f_owner; unsigned int f_uid, f_gid; 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 thehooks to this file */ struct list_head f_ep_links; spinlock_t f_ep_lock;#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */ struct address_space *f_mapping;#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT unsigned long f_mnt_write_state;#endif};文件描述符数组中存放了一个进程所打开的所有文件。文件描述符数组包含在进程打开的文件表 files_struct 结构中。在 /include/linux/fdtable.h 中定义，为一个指向 file类型的指针数组---fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]，其中 NR_OPEN_DEFAULT 也在 fdtable.h 中定义，这是一个和具体的 CPU 体系结构有关的变量，#define NR_OPEN_DEFAULTBITS_PER_LONG。以 x86 体系为例，BITS_PER_LONG 在 /include/asm-x86/types.h 中定义，32 位 CPU 为 32，64 位 CPU 为 64。
struct files_struct { /* * read mostly part */ atomic_t count; struct fdtable *fdt; struct fdtable fdtab; /* * written part on aseparate cache line in SMP */ spinlock_t file_lock____cacheline_aligned_in_smp; int next_fd; struct embedded_fd_setclose_on_exec_init; struct embedded_fd_setopen_fds_init; struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];};FILE 结构和文件描述符 fd、files_struct 和 file 结构之间的关系如下图所示：
以上就是我关于 File 和 fd 各方面的理解，希望对你有所帮助。
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