linux中的文件描述符(file descriptor)和文件

linux为了实现一切皆文件的设计哲学,不仅将数据抽象成了文件,也将一切操作和资源抽象成了文件,比如说硬件设备,socket,磁盘,进程,线程等。
这样的设计将系统的所有动作都统一起来,实现了对系统的原子化操作,大大降低了维护和操作的难度,想想看,对于socket,硬件设备,我们只要读读写写文件就能对其进行操作是多么爽的一件事。

文件描述符:
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那么在操作这些所谓的文件的时候,我们不可能没操作一次就要找一次名字吧,这样会耗费大量的时间和效率。咱们可以每一个文件操作一个索引,这样,要操作文件的时候,我们直接找到索引就可以对其进行操作了。我们将这个索引叫做文件描述符(file descriptor),简称fd,在系统里面是一个非负的整数。每打开或创建一个文件,内核就会向进程返回一个fd,第一个打开文件是0,第二个是1,依次递增。


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我们平时说的命令如./test.sh>res2.log 2>&1就是将标准和错误的输出流重定向到log文件里面,通常情况下系统启动后会自动启动文件描述符号0,1,2,当然,你也可以关闭这几个文件描述符,比如关掉1,然后打开一个文件,那么到时候你使用代码中的printf就不会输出到终端,而是会输入到你打开的文件里面(这样在测试的时候免去了我们在代码里面写log的麻烦)


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在python中可以用如下拿到fd,在linux下fd叫做文件描述符,在window下fd叫做句柄,所以这就说明了为啥在官方文档中fileno解释是Return the file descriptor or handle used by the connection.
from multiprocessing import Pipe
rpipe, wpipe = Pipe(duplex=False)
print rpipe.fileno() #这个就得到的是fd

文件:

在linux内核中通常会有个task_struct结构体来维护进程相关的表,叫进程控制块,这个块里面会有指针指向file_struct的结构体,称为文件描述表,文件描述符就是这个表的索引。


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而这个file_struct会指向一个file的结构体,一般情况下,进程是没有办法直接访问文件的,只能通过文件描述表里面的文件描述符找到文件。file有几个主要的结构体成员,分别是count,file_operation和dentry(directory entry)。
count:这个是引用计数,像上面的pipe,还有fork,dup等的文件描述符可能会指向同一个file,比如现在有fd1和fd2,他们都指向了同一个文件,那么这个文件的计数就是2,要想关闭这个文件,close(fd1)是不能关掉的,因为这个时候计数为1,只有在计数为0的时候才算完全关闭
file_operation:这个指向的文件操作指针,file_operation里面包含了对文件操作的内核函数指针,他指向内核操作函数,比如说read,write,release,open,当然,不同的文件file_opertions有不同的操作,像读取字符设备的文件操作肯定不会和读取正常文件的一样,他们不是读取磁盘,而是读取硬件设备
dentry:目录项,一个指向带有文件路径的dentry结构体指针,我们在操作文件时,一定要知道他的路径,才能进行操作。为了减少读盘次数,内核缓存了目录的树状结构,称为dentry cache,其中每个节点是一 个dentry结构体,只要沿着路径各部分的dentry搜索即可。

现在看下dentry这个结构体指向了什么?
dentry指向了inode,inode是一个包含所有者、文件大小、文件类型和权限位,创建、修改和更新时间等的结构体,保存着从磁盘inode读上来的信息。里面还有两个重要的成员:
分别是inode_opertions和super_block
inode_opertions:是描述文件能进行哪些操作的结构体,他指向了文件操作的内核函数,比如说rm,mkdir,mv等,
super_block:保存着从磁盘分区的超级块读上来的信息,像文件系统类型(比如说是ext2,ext3等),块大小,不同的文件类型,底层的实现是不同的。当然,super_block还有s_root个成员指向了dentry,因为他需要知道文件的根目录被mount 到哪里

file 、dentry、inode 、super_block这几个结构体组成了VFS的核心概念

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