文件描述符FD，文件表，vnode节点与inode节点_zhoujie_liang

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文件描述符FD，文件表，vnode节点与inode节点

(2021-05-29 09:48:46)

分类： unix

文件描述符fd属于进程级别(用uint16_t表示)，各个进程的文件描述符可以重复，是一个非负整数，一般0,1,2分别是标准输入，标准输出，标准错误。task_struct里有一个files_struct的指针，里面记录了所有打开的文件描述符和file指针。

vnode是unix的概念，linux中并没有vnode结构。

文件表项(内核中用file结构表示)，属于系统级别，由内核管理，处于文件表（内核维护一个全局的文件表）中，它包含了打开文件的读写偏移量，文件索引节点inode指针，文件所有者等信息。

inode是文件的真实信息，也叫索引节点，指向磁盘(如磁盘文件)或内存(如socket)，属于内核，在内核中使用inode结构表示。

对一个文件，只有一个inode，但vnode和fd都可以有多个，如使用dup，可以使用让两个不同的fd指向同一个文件表项。同一进程 (或不同进程)使用open打开同一个文件两次，会有两个fd与两个文件表项（unix中文件表项有两个，但共享一个vnode），但都指向同一个inode，此时，由于文件表项不同，有不同的offset，都写文件时，就会导致文件内容乱掉。

注意，fd, 文件表，vnode是在内存，只有打开文件时存在，inode属于永久数据，在硬盘(socket，管道等除外)。

对于每个进程，task_struct包含一个files_struct结构(或叫文件描述符表)，它里面有个file数组，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（文件描述符作为数组下标直接访问file，file中并没有文件描述符，files_struct中只记录下一个可用的文件描述符；dup或dup2函数即是在数组中增加一个file指针，指向已有描述符指向的file对象；打开新文件，即是创建一个新的file对象，并在数组中用下个一可用fd作下标存放file指针，并向应用返回fd）

　　};

　　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;

};

其中file结构：

struct file {

union {

struct list_head fu_list;

struct rcu_head fu_rcuhead;

} f_u;

struct path f_path; //文件路径，它里面的成员指向inode

#define f_dentry f_path.dentry

#define f_vfsmnt f_path.mnt

const struct file_operations *f_op; // 文件操作函数，与文件类型相关，内部都是函数指针，对应系统调用，把系统调用和文件驱动程序关联起来

spinlock_t f_lock;

atomic_long_t f_count; // 指向该文件结构的引用计数，例如使用dup复制文件描述符，该计数增加，fork子进程时，计数也增加

unsigned int f_flags; // 表示打开文件的权限

fmode_t f_mode; // 设置对文件的访问模式,例如：只读，只写等。

loff_t f_pos; // 表示当前读写文件的位置,即偏移量，可见读写偏移量不是分开

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

void *private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL

struct list_head f_ep_links;

#endif

struct address_space *f_mapping;

#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT

unsigned long f_mnt_write_state;

#endif

};

file结构中的文件操作结构file_operations：

struct file_operations {

struct module *owner; //指向拥有该模块的指针；

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); //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 *); //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 *);//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 *);//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 **);

};

file结构中的path结构：

struct path {
struct vfsmount *mnt; //该文件已安装的文件系统
struct dentry *dentry; //与文件相关的目录项对象，内部有个inode成员
};

path结构中的dentry结构:

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;

　　struct dentry_operations *d_op; //目录项方法

　　struct super_block * d_sb; //文件的超级块对象

　　vunsigned long d_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

};

索引inode结构：

struct inode {

struct list_head i_hash;

struct list_head i_list;

struct list_head i_dentry;

struct list_head i_dirty_buffers;

unsigned long i_ino; //节点号

atomic_t i_count;

kdev_t i_dev;

umode_t i_mode;

nlink_t i_nlink;

uid_t i_uid;

gid_t i_gid;

kdev_t i_rdev;

loff_t i_size;

time_t i_atime;

time_t i_mtime;

time_t i_ctime;

unsigned long i_blksize;

unsigned long i_blocks;

unsigned long i_version;

struct semaphore i_sem;

struct semaphore i_zombie;

struct inode_operations *i_op;

struct file_operations *i_fop;

struct super_block *i_sb;

wait_queue_head_t i_wait;

struct file_lock *i_flock;

struct address_space *i_mapping;

struct address_space i_data;

struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS];

struct pipe_inode_info *i_pipe;

struct block_device *i_bdev;

unsigned long i_dnotify_mask;

struct dnotify_struct *i_dnotify;

unsigned long i_state;

unsigned int i_flags;

unsigned char i_sock;

atomic_t i_writecount;

unsigned int i_attr_flags;

__u32 i_generation;

union {

struct minix_inode_info minix_i;

struct ext2_inode_info ext2_i;

struct hpfs_inode_info hpfs_i;

struct ntfs_inode_info ntfs_i;

struct msdos_inode_info msdos_i;

struct umsdos_inode_info umsdos_i;

struct iso_inode_info isofs_i;

struct nfs_inode_info nfs_i;

struct sysv_inode_info sysv_i;

struct affs_inode_info affs_i;

struct ufs_inode_info ufs_i;

struct efs_inode_info efs_i;

struct romfs_inode_info romfs_i;

struct shmem_inode_info shmem_i;

struct coda_inode_info coda_i;

struct smb_inode_info smbfs_i;

struct hfs_inode_info hfs_i;

struct adfs_inode_info adfs_i;

struct qnx4_inode_info qnx4_i;

struct bfs_inode_info bfs_i;

struct udf_inode_info udf_i;

struct ncp_inode_info ncpfs_i;

struct proc_inode_info proc_i;

struct socket socket_i;

struct usbdev_inode_info usbdev_i;

void *generic_ip;

} u;

};

inode中的union，可见支持不同的文件类型，包括socket.

复制两张图：

https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/b7691ff4fedc7a7abf5c35ba1869e550.png

https://pic3.zhimg.com/80/v2-9c04a9b4dbb1d6351efb95f12a937b46_1440w.jpg

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