檔案描述符

Tacitle發表於2024-08-13

檔案描述符

定義

​ 在Linux系統中，當我們開啟或者建立一個檔案時，系統會提供一個檔案描述符作為該檔案的“代號”，我們可以透過使用這個“代號”來對原檔案進行一系列的讀寫操作。

​ 在Linux中，檔案描述符0、1、2是有特殊含義的。

​ 0是標準輸入（stdin）的檔案描述符

​ 1是標準輸出（stdout）的檔案描述符

​ 2是標準錯誤（stderr）的檔案描述符

​

檔案描述符關聯的資料結構

struct file

​ 每個檔案描述符都關聯到核心一個 struct file 型別的結構體資料。struct file的結構體定義如下：

struct file {
	...... 
	atomic_long_t f_count; // 引用計數，管理檔案物件的生命週期
	struct mutex f_pos_lock; // 保護檔案位置的互斥鎖
	loff_t f_pos; // 當前檔案位置（讀寫位置）
	...... 
	struct path f_path; // 記錄檔案路徑
	struct inode *f_inode; // 指向與檔案相關聯的 inode 物件的指標，該物件用於維護檔案後設資料，如檔案型別、訪問許可權等
	const struct file_operations *f_op; // 指向檔案操作函式表的指標，定義了檔案支援的操作，如讀、寫、鎖定等
	...... 
	void *private_data; // 儲存特定驅動或模組的私有資料
	......
}

​ 這個資料結構記錄了與檔案相關的所有資訊，其中比較關鍵的是 f_path 記錄了檔案的路徑資訊，f_inode記錄了檔案的後設資料。

​ f_count的作用是管理檔案的開啟與關閉。檔案IO中的open和close並不能真正的開啟和關閉檔案。事實上，open和close都是使f_count做加減操作，每當有程式執行open時，f_count+1；每當有程式執行close時，f_count-1。只有當f_count值為0時，檔案描述符才真正被關閉。

struct path

struct path {
	struct vfsmount *mnt;
	struct dentry *dentry;
}

​ struct vfsmount：是虛擬檔案系統掛載點的表示，儲存有關掛載檔案系統的資訊。

​ struct dentry：目錄項結構體，代表了檔案系統中的一個目錄項。目錄項是檔案系 統中的一個實體，通常對應一個檔案或目錄的名字。透過這個型別的屬性，可以定位檔案 位置。

struct inode

struct inode {
	umode_t i_mode; // 檔案型別和許可權。這個欄位指定了檔案是普通檔案、目錄、字元裝置、塊裝置等，以及它的訪問許可權（讀、寫、執行）。
	unsigned short i_opflags;
	kuid_t i_uid; // 檔案的使用者 ID，決定了檔案的擁有者。
	kgid_t i_gid; // 檔案的組 ID，決定了檔案的擁有者組。
	unsigned int i_flags;
	...... 
	unsigned long i_ino; // inode 編號，是檔案系統中檔案的唯一標識。
	...... 
	loff_t i_size; // 檔案大小
}

檔案描述符表關聯的資料結構

struct files_struct {
	...... 
	struct fdtable __rcu *fdt; // 指向當前使用的檔案描述符表（fdtable）
	...... 
	unsigned int next_fd; // 儲存下一個可用的最小檔案描述符編號
	...... 
	struct file __rcu *fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; // struct file 指標的陣列，大小固定，用於快速訪問。
}

​ fdt維護了檔案描述符表，其中記錄了所有開啟的檔案描述符和 struct file的對應關係。

struct fdtable {
	unsigned int max_fds; // 檔案描述符陣列的容量，即可用的最大檔案描述符
	struct file __rcu **fd; // 指向 struct file 指標陣列的指標
	unsigned long *close_on_exec;
	unsigned long *open_fds;
	unsigned long *full_fds_bits;
	struct rcu_head rcu;
}

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