Linux-文件描述符的本質及與文件指針的區別

文章參考：文件描述符的本質、文件描述符和文件指針的區別、文件描述符fd和文件指針flip的理解

推薦：task_struct 和文件系統的關係

系統中文件相關表

　　右側的表稱爲i節點表，在整個系統中只有1張。該表能夠視爲結構體數組，該數組的一個元素對應於一個物理文件。

　　中間的表稱爲文件表，在整個系統中只有1張。該表能夠視爲結構體數組，一個結構體中有不少字段，其中有3個字段比較重要：

　　　　file status flags：用於記錄文件被打開來讀的，仍是寫的。其實記錄的就是open調用中用戶指定的第2個參數
　　　　current file offset：用於記錄文件的當前讀寫位置（指針）。正是因爲此字段的存在，使得一個文件被打開並讀取後，下一次讀取將從上一次讀取的字符後開始讀取
　　　　v-node ptr：該字段是指針，指向右側表的一個元素，從而關聯了物理文件。

　　左側的表稱爲文件描述符表，每一個進程有且僅有1張。該表能夠視爲指針數組，數組的元素指向文件表的一個元素。最重要的是：數組元素的下標就是大名鼎鼎的文件描述符，數組元素的值就是指向 File 結構體的指針。

 

系統調用時的操做

　　文件描述符的操做函數 open， 返回一個文件描述符，內核會在每一個進程空間中維護一個文件描述符表，全部打開的文件都將經過此表中的文件描述符來引用。

　　　　新建一個i節點表元素，讓其對應打開的物理文件（若是對應於該物理文件的i節點元素已經創建，就不作任何操做）；

　　　　新建一個文件表的元素，根據open的第2個參數設置file status flags字段，將current file offset字段置0，將v-node ptr指向剛創建的i節點表元素；

　　　　在文件描述符表中，尋找1個還沒有使用的元素，在該元素中填入一個指針值，讓其指向剛創建的文件表元素。最重要的是：將該元素的下標做爲open的返回值返回。

　　文件描述符的操做函數 read（write，）根據傳入的文件描述符，OS就能夠找到對應的文件描述符表元素，進而找到文件表的元素，進而找到i節點表元素，從而完成對物理文件的讀寫。

　　而流操做函數 fopen， 返回的是一個FILE結構指針，FILE結構是包含有文件描述符的，FILE結構函數能夠看做是對fd直接操做的系統調用的封裝，它的優勢是帶有I/O緩存。

 

文件描述符和文件指針的概念一總

　　文件描述符：在linux系統中打開文件就會得到文件描述符，它是個很小的正整數。每一個進程在PCB（Process Control Block）中保存着一份文件描述符表，文件描述符就是這個表的索引，每一個表項都有一個指向已打開文件的指針。即已打開的文件在內核中用 File 結構體表示，文件描述符表中的指針指向 File 結構體。優勢是兼容POSIX標準，許多系統調用都依賴於它；缺點是不能移植到unix以外的系統上去。

　　文件指針：C語言中使用文件指針而不是文件描述符作爲I/O的句柄。文件指針指向進程用戶區中的一個被稱爲FILE結構的數據結構。FILE結構主要包括一個I/O緩衝區和一個文件描述符。而文件描述符是文件描述符表中的一個索引，所以從某種意義上說文件指針就是句柄的句柄（在Windows系統上，文件描述符被稱做文件句柄）。至關於在上圖中最左側又虛擬出一個 struct File，其中 struct 中有個元素是文件描述符，指向進程表項中的 fd 索引（本身的理解，不知道正不正確）。文件指針的優勢是C語言中的通用格式，便於移植。

　　既然FILE結構中含有文件描述符，那麼可使用fopen來得到文件指針，而後從文件指針獲取文件描述符，文件描述符應該是惟一的，而文件指針卻不是惟一的，但指向的對象是惟一的。

 

進程與文件描述符

　　內核會在每一個進程空間中維護一個文件描述符表, 全部打開的文件都將經過此表中的文件描述符來引用; 而流(如: fopen)返回的是一個FILE結構指針, FILE結構是包含有文件描述符的，FILE結構函數能夠看做是對fd直接操做的系統調用的封裝, 它的優勢是帶有I/O 緩存。

　　每一個進程在PCB（Process Control Block）即進程控制塊中都保存着一份文件描述符表，文件描述符就是這個表的索引，文件描述表中每一個表項都有一個指向已打開文件的指針，如今咱們明確一下：已打開的文件在內核中用 FILE 結構體表示，文件描述符表中的指針指向 FILE 結構體。

 

fork 對文件描述符的影響

　　fork會致使子進程繼承父進程打開的文件描述符，其本質是將父進程的整個文件描述符表複製一份，放到子進程的PCB中。所以父、子進程中相同文件描述符（文件描述符爲整數）指向的是同一個文件表元素，這將致使父（子）進程讀取文件後，子（父）進程將讀取同一文件的後續內容。因此在建立守護進程時，都使用 close 關閉掉從父進程繼承的文件描述符。

 

FILE的結構

struct _iobuf {
　　char *_ptr; //緩衝區當前指針
　　int _cnt; //文件的引用計數
　　char *_base; //緩衝區基址
　　int _flag; //文件讀寫模式
　　int _file; //文件描述符
　　int _charbuf; //緩衝區剩餘本身個數
　　int _bufsiz; //緩衝區大小
　　char *_tmpfname;
};
typedef struct _iobuf FILE;

 

open和fopen的區別

　　open：返回一個文件描述符，無緩衝，與 write、read 配合使用

　　fopen：返回 File *，有緩衝，與 fwrite、fread 配合使用