文件描述符

在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 图-1 所示：

../../_images/26cf89b03f383aaac00e1da084d6c909.png图-1：文件描述符、打开文件及 inode 关系

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() 和 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 表为后者。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

图-1 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：

  • 打开目标文件，返回文件描述符 n ；
  • 关闭文件描述符 1 ；
  • 调用 dup 将文件描述符 n 复制到 1 ；
  • 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 73 )。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。

下一步

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参考文献