Linux下的FILE*结构体

FILE*结构体解析

struct file结构体定义在include/Linux/fs.h中定义。文件结构体代表一个打开的文件，系统中的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。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

　　 } 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，当前文件的dentry结构

　　#define f_vfsmnt f_path.mnt //表示当前文件所在文件系统的挂载根目录

　　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

       loff_t     f_pos;//当前文件指针位置

　　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;//记录文件的版本号，每次使用之后递增

　　#ifdef CONFIG_SECURITY

　　     void *f_security;

　　#endif

　　/* needed for tty driver, and maybe others */

　　void *private_data;//使用这个成员来指向分配的数据

　　#ifdef CONFIG_EPOLL

　　/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */

　　    struct list_head f_ep_links;

　　    spinlock_t f_ep_lock;

　　#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */

　　struct address_space *f_mapping;

　　};

其中有两个非常重要的字段：文件描述符和缓冲区

文件描述符fd：

fd只是一个小整数，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。 

文件描述符的操作(如: open)返回的是一个文件描述符,内核会在每个进程空间中维护一个文件描述符表, 所有打开的文件都将通过此表中的文件描述符来引用; 

而流(如: fopen)返回的是一个FILE结构指针, FILE结构是包含有文件描述符的，FILE结构函数可以看作是对fd直接操作的系统调用的封装, 它的优点是带有I/O缓存。 

每个进程在PCB（Process Control Block）即进程控制块中都保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，文件描述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。 

缓冲区：

1、缓冲区机制

根据应用程序对文件的访问方式，即是否存在缓冲区，对文件的访问可以分为带缓冲区的操作和非缓冲区的文件操作：

　 ① 带缓冲区文件操作：高级标准文件I/O操作，将会在用户空间中自动为正在使用的文件开辟内存缓冲区。

　 ② 非缓冲区文件操作：低级文件I/O操作，读写文件时，不会开辟对文件操作的缓冲区，直接通过系统调用对磁盘进行操作(读、写等)，当然用于可以在自己的程序中为每个文件设定缓冲区。

两种文件操作的解释和比较：

　　(1)非缓冲的文件操作访问方式，每次对文件进行一次读写操作时，都需要使用读写系统调用来处理此操作，即需要执行一次系统调用，执行一次系统调用将涉及到CPU状态的切换，即从用户空间切换到内核空间，实现进程上下文的切换，这将损耗一定的CPU时间，频繁的磁盘访问对程序的执行效率造成很大的影响。

　　(2)ANSI标准C库函数是建立在底层的系统调用之上，即C函数库文件访问函数的实现中使用了低级文件I/O系统调用，ANSI标准C库中的文件处理函数为了减少使用系统调用的次数，提高效率，采用缓冲机制，这样，可以在磁盘文件进行操作时，可以一次从文件中读出大量的数据到缓冲区中，以后对这部分的访问就不需要再使用系统调用了，即需要少量的CPU状态切换，提高了效率。

2、缓冲类型

标准I/O提供了3种类型的缓冲区。

　　(1)全缓冲区：这种缓冲方式要求填满整个缓冲区后才进行I/O系统调用操作。对于磁盘文件的操作通常使用全缓冲的方式访问。第一次执行I/O操作时，ANSI标准的文件管理函数通过调用malloc函数获得需要使用的缓冲区，默认大小为8192。

　　(2)行缓冲区：在行缓冲情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库函数将会执行系统调用操作。当所操作的流涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），使用行缓冲方式。因为标准I/O库每行的缓冲区长度是固定的，所以只要填满了缓冲区，即使还没有遇到换行符，也会执行I/O系统调用操作，默认行缓冲区的大小为1024。

　　(3)无缓冲区：无缓冲区是指标准I/O库不对字符进行缓存，直接调用系统调用。标准出错流stderr通常是不带缓冲区的，这使得出错信息能够尽快地显示出来。

注：

　　①标准输入和标准输出设备：当且仅当不涉及交互作用设备时，标准输入流和标准输出流才是全缓冲的。

　　②标准错误输出设备：标准出错绝不会是全缓冲方式的。

　　③对于任何一个给定的流，可以调用setbuf()和setvbuf()函数更改其缓冲区类型。

接下来，我们通过程序演示一下缓冲区的作用

然后我们分别将其输出到屏幕和文件中

我们可以看到输出到屏幕只有5条输出命令而输出到文件有7条输出命令。

根据输出结果我们可以看出printf和fwrite重复写了两次，没有重复打印的是write.。

printf和fwrite都是库函数，而write则是系统直接调用的：结合已有知识，我们了解到当使用库函数命令时，打印消息并没有直接写到输出位置上，而是先把数据写到输出缓冲区，在刷新至输出位置。

　　　　1、当输出目标位置为输出到显示器时，则刷新方式是行刷新；

　　　　2、当输出目标位置为输出到文件中时，刷新方式由行缓冲变为全缓冲，全缓冲是指当把缓冲区写满后才能刷新。（或者强制刷新）代码中printf和fwrite第一次打印在fork操作之前，第二次打印则在fork操作之后，原因是在fork操作前，printf和fwrite的输出命令将数据先写到缓冲区中，此时只执行了这两条命令，由于是全缓冲的刷新方式，所以这两条命令并不足以将缓存写满，所以数据暂存在缓冲区中；然后进行fork创建子进程，由于fork创建出的父子进程代码共享，而数据不共享，各自私有一份，缓冲区中的数据都属于数据，因为父进程的残留数据还在缓冲区中，所以fork完毕后，父子进程将缓存中的数据各自存一份有父进程残留数据的数据，所以当父子进程各自刷新时，父子进程会各自执行一次printf和fwrite的输出命令，所以命令就从原来的两条变为四条。

struct file 的其他重要成员有：

1.mode_t f_mode; 
文件模式确定文件是可读的或者是可写的(或者都是), 通过位 FMODE_READ 和FMODE_WRITE. 你可能想在你的 open 或者 ioctl 函数中检查这个成员的读写许可, 但是不需要检查读写许可, 因为内核在调用你的方法之前检查. 当文件还没有为那种存取而打开时读或写的企图被拒绝, 驱动甚至不知道这个情况. 
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 llseek 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