.. 文件描述符 FileName: file-descriptor.rst Author: Fasion Chan Created: 2018-07-08 15:05:25 @contact: fasionchan@gmail.com @version: $Id$ Description: Changelog: ========== 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： .. figure:: /_images/system-programming/file-io/file-descriptor/26cf89b03f383aaac00e1da084d6c909.png :width: 600px 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 ====== .. include:: /_fragments/next-step-to-wechat-mp.rst 参考文献 ======== #. `Linux/Unix系统编程手册 `_ .. include:: /_fragments/wechat-reward.rst .. include:: /_fragments/disqus.rst .. comments comment something out below .. meta:: :description lang=zh: :keywords: