file结构体详解

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1.1 struct file
　　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。

 

struct file 的最重要成员在这展示.
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<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-CopyUpdate)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.dentryf_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
　　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_SECURITY
　　void *f_security;
　　#endif
　　
　　void *private_data;
　　#ifdef CONFIG_EPOLL
　　
　　struct list_headf_ep_links;
　　spinlock_t f_ep_lock;
　　#endif
　　struct address_space*f_mapping;
　　};
　　1.2 struct dentry
　　dentry的中文名称是目录项，是Linux文件系统中某个索引节点(inode)的链接。这个索引节点可以是文件，也可以是目录。 inode(可理解为ext2 inode)对应于物理磁盘上的具体对象，dentry是一个内存实体，其中的d_inode成员指向对应的inode。也就是说，一个inode可以在运行的时候链接多个dentry，而d_count记录了这个链接的数量。
　　struct dentry {
　　atomic_t d_count; 目录项对象使用计数器,可以有未使用态,使用态和负状态
　　unsigned int d_flags; 目录项标志
　　struct inode * d_inode; 与文件名关联的索引节点
　　struct dentry * d_parent; 父目录的目录项对象
　　struct list_head d_hash; 散列表表项的指针
　　struct list_head d_lru; 未使用链表的指针
　　struct list_head d_child; 父目录中目录项对象的链表的指针
　　struct list_head d_subdirs; 对目录而言，表示子目录目录项对象的链表
　　struct list_head d_alias; 相关索引节点(别名)的链表
　　int d_mounted; 对于安装点而言，表示被安装文件系统根项
　　struct qstr d_name; 文件名
　　unsigned long d_time;
　　structdentry_operations *d_op; 目录项方法
　　struct super_block * d_sb; 文件的超级块对象
　　vunsigned longd_vfs_flags;
　　void * d_fsdata; 与文件系统相关的数据
　　unsigned char d_iname [DNAME_INLINE_LEN];存放短文件名
　　};
　　1.3 struct files_struct
　　对于每个进程，包含一个files_struct结构，用来记录文件描述符的使用情况，定义在include/linux/file.h中
　　struct files_struct
　　{
　　atomic_t count; 使用该表的进程数
　　struct fdtable *fdt;
　　struct fdtable fdtab;
　　spinlock_t file_lock____cacheline_aligned_in_smp;
　　int next_fd; 数值最小的最近关闭文件的文件描述符,下一个可用的文件描述符
　　struct embedded_fd_set close_on_exec_init;执行exec时需要关闭的文件描述符初值集合
　　struct embedded_fd_set open_fds_init;文件描述符的屏蔽字初值集合
　　struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];默认打开的fd队列
　　};
　　struct fdtable {
　　unsigned int max_fds;
　　struct file ** fd; 指向打开的文件描述符列表的指针，开始的时候指向fd_array，
　　当超过max_fds时，重新分配地址
　　fd_set *close_on_exec; 执行exec需要关闭的文件描述符位图(fork，exec即不被子进程继承的文件
　　描述符)
　　fd_set *open_fds; 打开的文件描述符位图
　　struct rcu_head rcu;
　　struct fdtable *next;
　　};
　　1.4 struct fs_struct
　　struct fs_struct {
　　atomic_t count; 计数器
　　rwlock_t lock; 读写锁
　　int umask;
　　struct dentry * root, * pwd, *altroot;根目录("/")，当前目录以及替换根目录
　　struct vfsmount * rootmnt, * pwdmnt, *altrootmnt;
　　};
　　1.5 struct inode
　　索引节点对象由inode结构体表示，定义文件在linux/fs.h中。
　　struct inode {
　　struct hlist_node i_hash; 哈希表
　　struct list_head i_list; 索引节点链表
　　struct list_head i_dentry; 目录项链表
　　unsigned long i_ino; 节点号
　　atomic_t i_count; 引用记数
　　umode_t i_mode; 访问权限控制
　　unsigned int i_nlink; 硬链接数
　　uid_t i_uid; 使用者id
　　gid_t i_gid; 使用者id组
　　kdev_t i_rdev; 实设备标识符
　　loff_t i_size; 以字节为单位的文件大小
　　struct timespec i_atime; 最后访问时间
　　struct timespec i_mtime; 最后修改(modify)时间
　　struct timespec i_ctime; 最后改变(change)时间
　　unsigned int i_blkbits; 以位为单位的块大小
　　unsigned long i_blksize; 以字节为单位的块大小
　　unsigned long i_version; 版本号
　　unsigned long i_blocks; 文件的块数
　　unsigned short i_bytes; 使用的字节数
　　spinlock_t i_lock; 自旋锁
　　struct rw_semaphore i_alloc_sem;索引节点信号量
　　struct inode_operations *i_op; 索引节点操作表
　　struct file_operations *i_fop; 默认的索引节点操作
　　struct super_block *i_sb; 相关的超级块
　　struct file_lock *i_flock; 文件锁链表
　　struct address_space *i_mapping;相关的地址映射
　　struct address_space i_data; 设备地址映射
　　struct dquot*i_dquot[MAXQUOTAS];节点的磁盘限额
　　struct list_head i_devices; 块设备链表
　　struct pipe_inode_info *i_pipe;管道信息
　　struct block_device *i_bdev; 块设备驱动
　　unsigned long i_dnotify_mask;目录通知掩码
　　struct dnotify_struct *i_dnotify;目录通知
　　unsigned long i_state; 状态标志
　　unsigned long dirtied_when;首次修改时间
　　unsigned int i_flags; 文件系统标志
　　unsigned char i_sock; 套接字
　　atomic_t i_writecount; 写者记数
　　void *i_security; 安全模块
　　__u32 i_generation; 索引节点版本号
　　union {
　　void *generic_ip;文件特殊信息
　　} u;
　　};

 

1、struct inode──字符设备驱动相关的重要结构介绍

内核中用inode结构表示具体的文件，而用file结构表示打开的文件描述符。Linux2.6.27内核中，inode结构体具体定义如下：
struct inode {
struct hlist_node   i_hash;
struct list_head   i_list;
struct list_head   i_sb_list;
struct list_head   i_dentry;
unsigned long      i_ino;
atomic_t      i_count;
unsigned int      i_nlink;
uid_t         i_uid;
gid_t         i_gid;
 dev_t         i_rdev;  //该成员表示设备文件的inode结构，它包含了真正的设备编号。
u64         i_version;
loff_t         i_size;
#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
seqcount_t      i_size_seqcount;
#endif
struct timespec      i_atime;
struct timespec      i_mtime;
struct timespec      i_ctime;
unsigned int      i_blkbits;
blkcnt_t      i_blocks;
unsignedshort         i_bytes;
umode_t         i_mode;
spinlock_t      i_lock;   
struct mutex      i_mutex;
struct rw_semaphore   i_alloc_sem;
const struct inode_operations   *i_op;
const struct file_operations   *i_fop;   
struct super_block   *i_sb;
struct file_lock   *i_flock;
struct address_space   *i_mapping;
struct address_space   i_data;
#ifdef CONFIG_QUOTA
struct dquot      *i_dquot[MAXQUOTAS];
#endif
struct list_head   i_devices;
union {
struct pipe_inode_info   *i_pipe;
struct block_device   *i_bdev;
 struct cdev      *i_cdev; //该成员表示字符设备的内核的内部结构。当inode指向一个字符设备文件时，该成员包含了指向struct cdev结构的指针，其中cdev结构是字符设备结构体。
};
int         i_cindex;

__u32         i_generation;

#ifdef CONFIG_DNOTIFY
unsigned long      i_dnotify_mask;
struct dnotify_struct   *i_dnotify;
#endif

#ifdef CONFIG_INOTIFY
struct list_head   inotify_watches;
struct mutex      inotify_mutex;   
#endif

unsigned long      i_state;
unsigned long      dirtied_when;   

unsigned int      i_flags;

atomic_t      i_writecount;
#ifdef CONFIG_SECURITY
void         *i_security;
#endif
void         *i_private;
};

　　我们在进程中打开一个文件F，实际上就是要在内存中建立F的dentry，和inode结构，并让它们与进程结构联系来，把VFS中定义的接口给接起来。我们来看一看这个经典的图：

 

下图为多个进程打开同一文件的情况：