Linux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？

原文地址：https://learn-linux.readthedocs.io 。

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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下图所示：

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

上图中，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：

1. 打开目标文件，返回文件描述符n；
2. 关闭文件描述符1；
3. 调用dup将文件描述符n复制到1；
4. 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

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