linux中文件描述符fd和文件指针flip的理解

整理自：http://www.cnblogs.com/Jezze/archive/2011/12/23/2299861.html

文件描述符的操作(如: open)返回的是一个文件描述符,内核会在每个进程空间中维护一个文件描述符表, 所有打开的文件都将通过此表中的文件描述符来引用; 

而流(如: fopen)返回的是一个FILE结构指针, FILE结构是包含有文件描述符的，FILE结构函数可以看作是对fd直接操作的系统调用的封装, 它的优点是带有I/O缓存

下面举一个实际的例子，在Linux中，值为0、1、2的fd分别代表标准输入、标准输出和标准错误输出。在程序中打开文件得到的fd从3开始增长。 fd具体是什么呢?在内核中，每一个进程都有一个私有的“打开文件表”，这个表是一个指针数组，每一个元素都指向一个内核的打开文件对象。而fd，就是这 个表的下标。当用户打开一个文件时，内核会在内部生成一个打开文件对象，并在这个表里找到一个空项，让这一项指向生成的打开文件对象，并返回这一项的下标 作为fd。由于这个表处于内核，并且用户无法访问到，因此用户即使拥有fd，也无法得到打开文件对象的地址，只能够通过系统提供的函数来操作。

Linux支持各种各样的文件系统格式，如ext2、ext3、reiserfs、FAT、NTFS、iso9660等等，不同的磁盘分区、光盘或其它存储设备都有不同的文件系统格式，然而这些文件系统都可以<code>mount</code>到某个目录下，使我们看到一个统一的目录树，各种文件系统上的目录和文件我们用<code>ls</code>命令看起来是一样的，读写操作用起来也都是一样的，这是怎么做到的呢？Linux内核在各种不同的文件系统格式之上做了一个抽象层，使得文件、目录、读写访问等概念成为抽象层的概念，因此各种文件系统看起来用起来都一样，这个抽象层称为虚拟文件系统（VFS，Virtual Filesystem）。上一节我们介绍了一种典型的文件系统在磁盘上的存储布局，这一节我们介绍运行时文件系统在内核中的表示。

Linux内核的VFS子系统可以图示如下：

现在我们明确一下：已打开的文件在内核中用<code>file</code>结构体表示，文件描述符表中的指针指向<code>file</code>结构体。

在<code>file</code>结构体中维护File Status Flag（<code>file</code>结构体的成员<code>f_flags</code>）和当前读写位置（<code>file</code>结构体的成员<code>f_pos</code>）。在上图中，进程1和进程2都打开同一文件，但是对应不同的<code>file</code>结构体，因此可以有不同的File Status Flag和读写位置。<code>file</code>结构体中比较重要的成员还有<code>f_count</code>，表示引用计数（Reference Count），后面我们会讲到，<code>dup</code>、<code>fork</code>等系统调用会导致多个文件描述符指向同一个<code>file</code>结构体，例如有<code>fd1</code>和<code>fd2</code>都引用同一个<code>file</code>结构体，那么它的引用计数就是2，当<code>close(fd1)</code>时并不会释放<code>file</code>结构体，而只是把引用计数减到1，如果再<code>close(fd2)</code>，引用计数就会减到0同时释放<code>file</code>结构体，这才真的关闭了文件。

每个<code>file</code>结构体都指向一个<code>file_operations</code>结构体，这个结构体的成员都是函数指针，指向实现各种文件操作的内核函数。比如在用户程序中<code>read</code>一个文件描述符，<code>read</code>通过系统调用进入内核，然后找到这个文件描述符所指向的<code>file</code>结构体，找到<code>file</code>结构体所指向的<code>file_operations</code>结构体，调用它的<code>read</code>成员所指向的内核函数以完成用户请求。在用户程序中调用<code>lseek</code>、<code>read</code>、<code>write</code>、<code>ioctl</code>、<code>open</code>等函数，最终都由内核调用<code>file_operations</code>的各成员所指向的内核函数完成用户请求。<code>file_operations</code>结构体中的<code>release</code>成员用于完成用户程序的<code>close</code>请求，之所以叫<code>release</code>而不叫<code>close</code>是因为它不一定真的关闭文件，而是减少引用计数，只有引用计数减到0才关闭文件。对于同一个文件系统上打开的常规文件来说，<code>read</code>、<code>write</code>等文件操作的步骤和方法应该是一样的，调用的函数应该是相同的，所以图中的三个打开文件的<code>file</code>结构体指向同一个<code>file_operations</code>结构体。如果打开一个字符设备文件，那么它的<code>read</code>、<code>write</code>操作肯定和常规文件不一样，不是读写磁盘的数据块而是读写硬件设备，所以<code>file</code>结构体应该指向不同的<code>file_operations</code>结构体，其中的各种文件操作函数由该设备的驱动程序实现。

每个<code>file</code>结构体都有一个指向<code>dentry</code>结构体的指针，“dentry”是directory entry（目录项）的缩写。我们传给<code>open</code>、<code>stat</code>等函数的参数的是一个路径，例如<code>/home/akaedu/a</code>，需要根据路径找到文件的inode。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<code>dentry</code>结构体，只要沿着路径各部分的dentry搜索即可，从根目录<code>/</code>找到<code>home</code>目录，然后找到<code>akaedu</code>目录，然后找到文件<code>a</code>。dentry cache只保存最近访问过的目录项，如果要找的目录项在cache中没有，就要从磁盘读到内存中。

每个<code>dentry</code>结构体都有一个指针指向<code>inode</code>结构体。<code>inode</code>结构体保存着从磁盘inode读上来的信息。在上图的例子中，有两个dentry，分别表示<code>/home/akaedu/a</code>和<code>/home/akaedu/b</code>，它们都指向同一个inode，说明这两个文件互为硬链接。<code>inode</code>结构体中保存着从磁盘分区的inode读上来信息，例如所有者、文件大小、文件类型和权限位等。每个<code>inode</code>结构体都有一个指向<code>inode_operations</code>结构体的指针，后者也是一组函数指针指向一些完成文件目录操作的内核函数。和<code>file_operations</code>不同，<code>inode_operations</code>所指向的不是针对某一个文件进行操作的函数，而是影响文件和目录布局的函数，例如添加删除文件和目录、跟踪符号链接等等，属于同一文件系统的各<code>inode</code>结构体可以指向同一个<code>inode_operations</code>结构体。

<code>inode</code>结构体有一个指向<code>super_block</code>结构体的指针。<code>super_block</code>结构体保存着从磁盘分区的超级块读上来的信息，例如文件系统类型、块大小等。<code>super_block</code>结构体的<code>s_root</code>成员是一个指向<code>dentry</code>的指针，表示这个文件系统的根目录被<code>mount</code>到哪里，在上图的例子中这个分区被<code>mount</code>到<code>/home</code>目录下。

<code>file</code>、<code>dentry</code>、<code>inode</code>、<code>super_block</code>这几个结构体组成了VFS的核心概念。对于ext2文件系统来说，在磁盘存储布局上也有inode和超级块的概念，所以很容易和VFS中的概念建立对应关系。而另外一些文件系统格式来自非UNIX系统（例如Windows的FAT32、NTFS），可能没有inode或超级块这样的概念，但为了能<code>mount</code>到Linux系统，也只好在驱动程序中硬凑一下，在Linux下看FAT32和NTFS分区会发现权限位是错的，所有文件都是<code>rwxrwxrwx</code>，因为它们本来就没有inode和权限位的概念，这是硬凑出来的。