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Linux文件描述符相关知识

news 2025/8/12 6:14:15

文件描述符与内核数据结构

什么是文件描述符（File Descriptor）

在 Linux 中，打开或创建文件/套接字时，操作系统会返回一个非负整数，这个数就是文件描述符（简称 FD）。
它相当于是程序访问文件或资源的“凭证”或“句柄”。

🧷 常见文件描述符编号

FD编号	含义	名称
0	标准输入	stdin
1	标准输出	stdout
2	标准错误输出	stderr

文件描述符背后的内核数据结构

当我们打开文件时，系统会创建/维护一系列内核数据结构，下面来简单了解这些结构及其作用。

`struct file` — 文件对象

每个 FD 都指向一个 struct file 结构体，记录文件的核心信息。

关键字段说明：

struct file {atomic_long_t f_count;          // 引用计数（被几个进程共享）struct mutex f_pos_lock;        // 保护文件偏移的锁loff_t f_pos;                   // 当前读写位置struct path f_path;             // 路径信息struct inode *f_inode;          // 指向 inode，包含文件元信息const struct file_operations *f_op;  // 文件支持的操作函数集合void *private_data;             // 特定驱动或模块的私有数据
};

`struct path` — 路径结构

struct path {struct vfsmount *mnt;   // 文件系统挂载点struct dentry *dentry;  // 目录项，表示文件名
};

用于定位文件在文件系统中的路径。

`struct inode` — 文件元信息

每个文件在磁盘上都有一个唯一的 inode，记录它的元信息（但不含文件名）

struct inode {umode_t i_mode;        // 文件类型 + 权限（读写等）kuid_t i_uid;          // 所有者的用户 IDkgid_t i_gid;          // 所属组的组 IDunsigned long i_ino;   // inode 编号（唯一标识）loff_t i_size;         // 文件大小（单位：字节）
};

进程如何管理文件描述符？

每个进程都维护一个自己的“打开文件表”，用来记录它打开的所有文件。

`struct files_struct` — 打开文件列表

struct files_struct {struct fdtable *fdt;           // 指向文件描述符表unsigned int next_fd;          // 下一个可用的文件描述符struct file *fd_array[];       // file结构体数组（最多同时打开多少个文件）
};

`struct fdtable` — 文件描述符表

struct fdtable {unsigned int max_fds;          // 最大支持的文件描述符数量struct file **fd;              // file 指针数组unsigned long *open_fds;       // 打开状态位图
};

文件描述符就是 fd 数组中的下标。

举个例子：文件描述符是怎么工作的？

调用 open("a.txt", O_RDONLY);
内核会：
- 创建一个 struct file，记录这个文件的各种信息；
- 在当前进程的 files_struct 中分配一个空位（比如编号是 3）；
- 将这个 struct file 关联到 fd[3]；
- 返回这个文件描述符（3）给用户程序。