关于文件描述符（file_struct）

什么是文件描述符

文件描述符（file_struct）是一个非负整数，对于Linux内核而言，为了高效管理已经被打开的文件所创建的索引，操作系统在每个进程描述符中都提供了文件描述符表，文件描述符表中每个表项都有一个指向已经打开文件的指针；而已经打开的文件在内核中用file结构体表示，文件描述符中的指针指向file结构体；下面，我们首先来介绍一下file结构体：

什么是file结构体

file结构体定义在linux系统中的(/kernels/include/linus/fs.h)文件中，它的源代码如下：

struct file {    /*     * fu_list becomes invalid after file_free is called 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;    spinlock_t      f_lock;  /* f_ep_links, f_flags, no IRQ */    atomic_long_t       f_count;    unsigned int        f_flags;    fmode_t         f_mode;    loff_t          f_pos;    struct fown_struct  f_owner;    const struct cred   *f_cred;    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 the hooks to this file */    struct list_head    f_ep_links;#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */    struct address_space    *f_mapping;#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT    unsigned long f_mnt_write_state;#endif};

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。

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 **);};

好了，上面我们介绍了file和file_operations结构体，下面我们来画一幅图，理清一下文件描述符和这两种结构体之间的关系：

关于文件描述符的相关应用

首先我们来看看Linux系统中所定义的三个标准文件描述符：

前面我们知道，当我们打开一个文件或者创建一个文件，操作系统就会给指向这个文件的指针关联一个文件描述符，并添加到当前进程下的文件描述符表中；那么操作系统每次会怎样分配文件描述符呢？？？是这样做了，操作系统所分配的文件描述符是当前可分配的文件描述符的最小值！我们写一段代码来验证一下：

还要注意的文件描述符的分配数量是有限制的，它的可分配范围为：0~ OPEN_MAX-1;

总结

文件描述符(file_struct)是操作系统用来管理文件的数据结构,当我们创建一个进程时，会创建文件描述符表，进程控制块PCB中的fs指针指向文件描述符表，当我们创建文件时，会为指向该文件的指针FILE*关联一个文件描述符并添加在文件描述符表中。在文件描述符表中fd相当于数组的索引，FILE*相当于数组的内容吗，指向一个文件结构体。