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Linux文件描述符

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Linux通用I/O模型中,I/O操作系列函数(系统调用)都是围绕一个叫做文件描述符的整数展开。这不禁让人产生疑问:这个整数代表什么?一个数值代表一个文件吗?随便传一个整数进去调用可以吗?

解答以上疑问,需要更深入学习——文件描述符(File Descriptor)。

图解

理解具体情况,需要了解由内核维护的3个数据结构:

  • 进程级文件描述符表(file descriptor table)
  • 系统级打开文件表(open file table)
  • 文件系统i-node表(i-node table)

这3个数据结构之间的关系如下图所示:

文件描述符表

内核为每个进程维护一个文件描述符表,该表每一条目都记录了单个文件描述符的相关信息,包括:

  • 控制标志(flags),目前内核仅定义了一个,即close-on-exec
  • 打开文件描述体指针

打开文件表

内核对所有打开的文件维护一个系统级别的打开文件描述表(open file description table),简称打开文件表。表中条目称为打开文件描述体(open file description),存储了与一个打开文件相关的全部信息,包括:

  • 文件偏移量(file offset),调用read()write()更新,调用lseek()直接修改
  • 访问模式,由open()调用设置,例如:只读、只写或读写等
  • i-node对象指针

i-node表

每个文件系统会为存储于其上的所有文件(包括目录)维护一个i-node表,单个i-node包含以下信息:

  • 文件类型(file type),可以是常规文件、目录、套接字或FIFO
  • 访问权限
  • 文件锁列表(file locks)
  • 文件大小
  • 等等

i-node存储在磁盘设备上,内核在内存中维护了一个副本,这里的i-node为后者。副本除了原有信息,还包括:引用计数(从打开文件描述体)、所在设备号以及一些临时属性,例如文件锁。

场景解析

上图中,详细描述了两个进程诸多文件描述符,以及相互关系。

文件描述符复制

在进程A中,文件描述符1和文件描述符20都指向同一个打开文件描述体(标号23)。这很可能是通过调用dup()系列函数形成的。

文件描述符复制,在某些场景下非常有用,比如:标准输入/输出重定向。在shell下,完成这个操作非常简单,大部分人都会,但是极少人思考过背后的原理。

大概描述一下需要的几个步骤,以标准输出(文件描述符为1)重定向为例:

  1. 打开目标文件,返回文件描述符n;
  2. 关闭文件描述符1;
  3. 调用dup将文件描述符n复制到1;
  4. 关闭文件描述符n;

子进程继承文件描述符

进程A的文件描述符2和进程B的文件描述符2都指向同一个打开文件描述体(标号23)。这种情形很可能发生在调用fork()派生子进程之后,比如A调用fork()派生出B。这时,B作为子进程,从父进程A继承了文件描述符表,其中包括图中标明的文件描述符2。这就是子进程继承父进程打开的文件这句话的由来。

当然了,进程A通过Unix套接字将一个文件描述符传递给B也会出现类似的情形,但一般文件描述符数值是不一样的。同时为2要非常凑巧才发生。

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