每个进程在Linux内核中都有一个task_struct结构体来维护进程相关的 信息,称为进程描述符(Process Descriptor),而在操作系统理论中称为进程控制块 (PCB,Process Control Block)。task_struct中有一个指针(struct files_struct *files; )指向files_struct结构体,称为文件 描述符表,其中每个表项包含一个指向已打开的文件的指针,如下图所示。
用户程序不能直接访问内核中的文件描述符表,而只能使用文件描述符表的索引 (即0、1、2、3这些数字),这些索引就称为文件描述符(File Descriptor),用int 型变量保存。 当调用open 打开一个文件或创建一个新文件时,内核分配一个文件描述符并返回给用户程序,该文件描述符表项中的指针指向新打开的文件。当读写文件时,用户程序把文件描述符传给read 或write ,内核根据文件描述符找到相应的表项,再通过表项中的指针找到相应的文件。
已打开的文件在内核中用file 结构体表示,文件描述符表中的指针指向file 结构体。在file 结构体中维护File Status Flag(file 结构体的成员f_flags)和当前读写位置(file 结构体 的成员f_pos )。在下图中,进程1和进程2都打开同一文件,但是对应不同的file 结构体,因此可 以有不同的File Status Flag和读写位置。file 结构体中比较重要的成员还有f_count,表示引用计 数(Reference Count),如dup 、fork 等系统调用会导致多个文件描述符指向同一 个file 结构体,例如有fd1 和fd2 都引用同一个file 结构体,那么它的引用计数就是2, 当close(fd1) 时并不会释放file 结构体,而只是把引用计数减到1,如果再close(fd2) ,引用计数 就会减到0同时释放file 结构体,这才真的关闭了文件。 每个file 结构体都指向一个file_operations 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read 一个文件描述符,read 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file 结构体,找到file 结构体所指向的file_operations 结构 体,调用它的read 成员所指向的内核函数(如内核代码中实现函数可能为sys_read())以完成用户请求。在用户程序中调 用lseek 、read 、write 、ioctl 、open 等函数,最终都由内核调用file_operations 的各成员所指向 的内核函数完成用户请求。file_operations 结构体中的release成员用于完成用户程序的close 请 求,之所以叫release而不叫close 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,read 、write 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file 结构体指向同一 个file_operations 结构体。如果打开一个字符设备文件,那么它的read,write 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file 结构体应该指向不同 的file_operations 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。