Linux--文件描述符、文件指針、索引節(jié)點(diǎn)

一、Linux —— 文件描述符

1、文件描述符 Fd

當(dāng)進(jìn)程打開文件或創(chuàng)建新文件時，內(nèi)核會返回一個文件描述符（非負(fù)整數(shù)），用來指向被打開的文件，所有執(zhí)行I/O操作的系統(tǒng)調(diào)用（read、write）都會通過文件描述符。

文件描述符可以理解為進(jìn)程文件描述表這個表的索引，或者把文件描述表看做一個數(shù)組的話，文件描述符可以看做是數(shù)組的下標(biāo)。當(dāng)需要進(jìn)行I/O操作的時候，會傳入fd作為參數(shù)，先從進(jìn)程文件描述符表查找該fd對應(yīng)的那個條目，取出對應(yīng)的那個已經(jīng)打開的文件的句柄，根據(jù)文件句柄指向，去系統(tǒng)fd表中查找到該文件指向的inode，從而定位到該文件的真正位置，從而進(jìn)行I/O操作。

特點(diǎn)：

• 每個文件描述符會與一個打開的文件相對應(yīng)
• 不同的文件描述符也可能指向同一個文件
• 相同的文件可以被不同的進(jìn)程打開，也可以在同一個進(jìn)程被多次打開
  

相關(guān)的三張表：

進(jìn)程級的文件描述符表

struct task_struct {
  //...
  
    struct files_struct *files // 進(jìn)程級別的文件描述符表
    
  //...
    
};

2、系統(tǒng)級的文件描述符表

內(nèi)核對系統(tǒng)所有打開的文件維護(hù)了一個打開文件表，表中每一項(xiàng)稱為打開文件句柄，一個打開文件句柄描述了一個打開文件的全部信息

• 當(dāng)前文件偏移量（調(diào)用read()和write()時更新，或使用lseek()直接修改）
• 打開文件時所使用的狀態(tài)標(biāo)識（即，open()的flags參數(shù)）
• 文件訪問模式（如調(diào)用open()時所設(shè)置的只讀模式、只寫模式或讀寫模式）
• 與信號驅(qū)動相關(guān)的設(shè)置
• 對該文件i-node對象的引用
• 文件類型（例如：常規(guī)文件、套接字或FIFO）和訪問權(quán)限
• 一個指針，指向該文件所持有的鎖列表
• 文件的各種屬性，包括文件大小以及與不同類型操作相關(guān)的時間戳

3、文件系統(tǒng)的inode表

每個文件系統(tǒng)會為存儲于其上的所有文件維護(hù)一個inode表

文件描述符表、打開文件表、inode表之間的關(guān)系：

進(jìn)程A文件描述符1和20指向同一個打開文件句柄，是因?yàn)槎啻握{(diào)用open()等函數(shù)打開同一個文件導(dǎo)致。

進(jìn)程A的文件描述符2和進(jìn)程B的文件描述符2指向同一個打開文件句柄可能是因?yàn)檎{(diào)用fork()后出現(xiàn)的，子進(jìn)程會繼承父進(jìn)程的打開文件描述符表，也就是子進(jìn)程繼承父進(jìn)程打開文件。；或者某進(jìn)程通過unix域套接字將一個打開的文件描述符傳遞給另一個進(jìn)程；或者不通進(jìn)程獨(dú)自調(diào)用open函數(shù)打開同一個文件是正好分配到與其他進(jìn)程打開該文件描述符一樣。

進(jìn)程A的描述符0和進(jìn)程B的描述符3分別指向不同的打開文件句柄，但這些句柄均指向i-node表的相同條目，即同一個文件，發(fā)生這種情況是因?yàn)槊總€進(jìn)程各自對同一個文件發(fā)起了open()調(diào)用。同一個進(jìn)程兩次打開同一個文件，也會發(fā)生類似情況。

二、文件指針 *FILE

C語言中使用的是文件指針而不是文件描述符作為I/O的句柄，“文件指針（file pointer）”指向進(jìn)程用戶區(qū)中的一個被稱為FILE結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)通過文件指針操作文件時，需要調(diào)用C語言stdio.h中提供的文件API（fopen()、fread()等）。

文件描述符在POSIX系統(tǒng)調(diào)用中直接可見，文件指針是C語言在其基礎(chǔ)上的包裝。

int open(const char *path, int access,int mode)  
FILE *fopen(char *filename, char *mode)

文件路徑 到 文件指針：filepath --fopen()-->FILE*;
文件路徑 到 文件描述符：filepath--open()--fd;
文件描述符 到 文件指針：fd--fdopen()-->FILE*;
文件指針 到 文件描述符：FILE*--fileno()--->fd;

三、索引節(jié)點(diǎn) Inode

index node是類unix系統(tǒng)中保存文件系統(tǒng)中對象元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

inode主要存儲以下數(shù)據(jù)：

• inode編號
• 文件大小
• 占用的塊數(shù)目與塊大小
• 文件類型（普通文件、目錄、管道，etc.）
• 存儲該文件的設(shè)備號
• 鏈接數(shù)目
• 讀、寫、執(zhí)行權(quán)限
• 擁有者的用戶ID和組ID
• 文件的最近訪問、數(shù)據(jù)最近修改時間
• inode最近修改時間

stat命令可以查看元數(shù)據(jù)，`df -i查看每個硬盤分區(qū)的inode總數(shù)和已經(jīng)使用的數(shù)量。除了文件名以外的所有信息，都存在inode中。

inode也會消耗硬盤空間，所以硬盤格式化的時候，操作系統(tǒng)自動將硬盤分成兩個區(qū)域。一個是數(shù)據(jù)區(qū)，存放文件數(shù)據(jù)；另一個是inode區(qū)（inode table），存放inode所包含的信息。

每個inode節(jié)點(diǎn)的大小，一般是128字節(jié)或256字節(jié)。inode節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，在格式化時就給定，一般是每1KB或每2KB就設(shè)置一個inode。假定在一塊1GB的硬盤中，每個inode節(jié)點(diǎn)的大小為128字節(jié)，每1KB就設(shè)置一個inode，那么inode table的大小就會達(dá)到128MB，占整塊硬盤的12.8%。

每個文件都有一個inode，因此有可能inode已經(jīng)用完但是硬盤還未存滿的情況。linux系統(tǒng)不使用文件名而使用inode來識別文件。

表面上，用戶通過文件名，打開文件。實(shí)際上，系統(tǒng)內(nèi)部這個過程分成三步：首先，系統(tǒng)找到這個文件名對應(yīng)的inode號碼；其次，通過inode號碼，獲取inode信息；最后，根據(jù)inode信息，找到文件數(shù)據(jù)所在的block，讀出數(shù)據(jù)。

目錄文件就是由一系列目錄項(xiàng)組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個目錄項(xiàng)包含文件名和inode號碼兩部分。

1、Inode特殊作用

• 有時，文件名包含特殊字符，無法正常刪除。這時，直接刪除inode節(jié)點(diǎn)，就能起到刪除文件的作用。
• 移動文件或重命名文件，只是改變文件名，不影響inode號碼。
• 打開一個文件以后，系統(tǒng)就以inode號碼來識別這個文件，不再考慮文件名。因此，通常來說，系統(tǒng)無法從inode號碼得知文件名。
  

第3點(diǎn)使得軟件更新變得簡單，可以在不關(guān)閉軟件的情況下進(jìn)行更新，不需要重啟。因?yàn)橄到y(tǒng)通過inode號碼，識別運(yùn)行中的文件，不通過文件名。更新的時候，新版文件以同樣的文件名，生成一個新的inode，不會影響到運(yùn)行中的文件。等到下一次運(yùn)行這個軟件的時候，文件名就自動指向新版文件，舊版文件的inode則被回收。

四、拓展

1、磁盤結(jié)構(gòu)

文件儲存在硬盤上，硬盤的最小存儲單位叫做”扇區(qū)”（Sector）。每個扇區(qū)儲存512字節(jié)（相當(dāng)于0.5KB）。

操作系統(tǒng)讀取硬盤的時候，不會一個個扇區(qū)地讀取，這樣效率太低，而是一次性連續(xù)讀取多個扇區(qū)，即一次性讀取一個”塊”（block）。這種由多個扇區(qū)組成的”塊”，是文件存取的最小單位?！眽K”的大小，最常見的是4KB，即連續(xù)八個 sector組成一個 block。

由上，可用（柱面號，盤面號，扇區(qū)號）來定位任意一個“磁盤塊”，我們經(jīng)常提到文件數(shù)據(jù)存放在外存中的幾號塊（邏輯地址），這個塊號就可以轉(zhuǎn)換成（柱面號，盤面號，扇區(qū)號）的地址形式。

可根據(jù)該地址讀取一個“塊”，操作如下：

① 根據(jù)“柱面號”移動磁臂，讓磁頭指向指定柱面（也稱磁道）

② 激活指定盤面對應(yīng)的磁頭；

③ 磁盤旋轉(zhuǎn)的過程中，指定的扇區(qū)會從磁頭下面劃過，這樣就完成了對指定扇區(qū)的讀/寫

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