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文件描述符与内核数据结构
什么是文件描述符（File Descriptor）
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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）。
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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？
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调用
open("a.txt", O_RDONLY); -
内核会：
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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。
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所以：
文件描述符 = 文件操作能力的“钥匙”
本质上就是struct file的一个“引用号”
5️ 总结
文件描述符是程序访问文件等资源的数字“句柄”，它背后链接的是内核中记录文件信息的
struct file结构。通过它，程序可以对文件进行读、写等操作，而不需要直接管理底层资源。