文件系统之文件描述符

Linux文件系统结构

调用Open函数会发生什么

对同一个文件打开多次会怎样

父子进程的文件关系

重定向的实现

管道的实现

概述

int fd = open(pathname, flags, mode);

关于文件读取与写入，我们总是能用到open函数，返回一个文件描述符，然后就可以对fd进行操作。同样，调用socket accept函数也会返回一个fd。所以问题在于Linux是如何处理fd，使得我们可以处理真正的磁盘IO。

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Linux文件系统结构

Linux文件系统表

1）进程级文件描述符表 Process File Table

2）系统级打开文件表 System File Table

3）系统i-Node表

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调用Open函数会发生什么

每次open时，会在进程文件描述符表新增数据（一个int型fd 和一个指针），指针指向系统打开文件表。系统文件表会表明这个打开文件的权限（status 读、写等），当前打开文件的偏移量（offset 即下次读取时的位置），指向系统i-Node表的指针等。因此我们可以知道，fd是针对进程的概念，不同进程的相同fd很大可能并没有任何关系

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对同一个文件打开多次会怎样

Process A: 

fd1 = open("/var/file1", O_RDONLY); 

fd2 = open("/var/file2", O_RDWR); 

fd3 = open("/var/file1", O_WRONLY);

Process B: 

fd1 = open("/var/file1", O_RDONLY); 

fd2 = open("/var/file3", O_RDONLY);

A/B两个进程调用多次open后

不管是相同进程还是不同进程，只要调用open就会有一个新的fd和一个新的系统打开文件表的对应项，所以对这些fd进行读取操作并不会造成相互影响。因为系统文件表是独立的，offset也是独立的

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父子进程的文件关系

调用fork()后

调用fork后，虽然父子进程都有独立的进程文件描述符表，但所有fd所对应的文件表都会保持完全一致，因此当我们在子进程读取fd1时，父进程的file offset也会同时变化，也就造成了一些奇怪的现象，所以对待fd的读写要谨慎处理

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重定向的实现

重定向调用dup后

dup2(close_this_fd = open("my.txt", O_WRONLY), 1);

程序的输出会直接输出到标准输出，但以上语句会将现有进程的标准输出（fd = 1）重定向到my.txt对应的文件表。因此输出后，my.txt将会展示刚才程序的输出。这也就是 out > my.txt的实现

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管道的实现

#include
#include
#include

int main(void){
    int pfds[2];
    pipe(pfds);
     if (!fork()) {
            close(1); /* close normal stdout */
             dup(pfds[1]); /* make stdout same as pfds[1] */
             close(pfds[0]); /* we don't need this */
             execlp("ls", "ls", NULL);
    } else {
         close(0); /* close normal stdin */
         dup(pfds[0]); /* make stdin same as pfds[0] */
         close(pfds[1]); /* we don't need this */
         execlp("grep", "SOMETHING", NULL);
    }
    return 0;

}

pipe管道

管道的总体原理就是（ls | grep）

1）A/B两个进程，B进程是A的子进程，A进程执行ls ，B进程执行grep

2）将A进程的标准输出通过dup2命令重定向到一个buffer区

3）B进程的标准输入通过dup2重定向到同一个buffer区

4）B进程获取到A进程的输出并执行自己的逻辑

参考文章

File System, Kernel Data Structures, and Open Files

inode and file descriptor table Interaction

Linux文件描述符