Linux下文件句柄和文件描述符
我们在日常维护中，常遇到"too many open file"的错误，有的系统，比如ES，要求启动时候扩大打开文件描述符的个数，不如会有如下的提示：
[1]: max file descriptors [4096] for elasticsearch process likely too low, increase to at least [65536]所以搞清楚文件描述符很重要，在限制文件描述符的时候，也常有这样的困惑，限制是对这个用户来讲的，还是对单个进程，还是对整个系统那，如果盲目扩大，可能引起一些资源耗尽性质的攻击。我对这些概念的了解也不是十分清楚，所以查阅了互联网上的资料和自己测试，才写了这篇文章，希望能对大家理解linux的文件描述符，有所帮助。
一 ulimit
ulimit 其实是限制shell，以及shell启动进程的使用资源情况，这样看起来ulimit限制是进程级别，我们可以通过ulimit命令方便地临时修改限制值。比如我们修改打开文件数量：
ulimit -n 100这样设置后，我们可以打开最多100个文件句柄数（这里面也是描述符数），测试如下：
#include
#include
#include
#include
int main(int argc,char * argv[])
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 101; i++) {
printf("open %d file.\n",i);
// 打开文件会同时增加文件描述符和文件句柄数量
int f = open("/dev/zero",O_RDONLY);
if (f > 0) {
printf("open OK:%d \n",f);
} else {
printf("open error.\n");
}
}
} 用这样的程序跑一下，会发现在两个不同的终端，都最多可以打开97个文件描述符（说明限制是进程级别）：
open 0 file.
open OK:3
open 1 file.
...
...
open OK:97
open 95 file.
open OK:98
open 96 file.
open OK:99
open 97 file.
open error.
open 98 file.
open error.
open 99 file.
open error.
open 100 file.
open error.为什么不是100个，是因为程序默认打开了标准输入，标准输出和标准出错三文件描述符，所以只剩下了97个文件描述符，而且是从3开始的，也验证了，打开文件从最小的未用的整数开始。通过ulimit修改只是临时，生效，要永久生效，可以写到文件中:
vim /etc/security/limits.conf
* soft noproc 20000 #软连接
* hard noproc 20000 #硬连接
* soft nofile 4096
* hard nofile 4096标识任意用户 soft 标识软限制，超过会告警；hard：硬限制，超过报错 nofile 打开文件描述符数量 nproc 打开进程数量。
重启后生效，如果不生效查看下登录模块是否引入限制如下：
[root@localhost ~]# cat /etc/pam.d/login|grep pam_limits.so
session required pam_limits.solimits.conf 文件实际是 Linux PAM（插入式认证模块，Pluggable Authentication Modules）中 pam_limits.so 的配置文件，而且只针对于单个会话。
如果不做限制，一个命令可导致必须重启机器:
:(){ :|:; }; :你在设置ulimit -n 的时候，如果设置一个很大的值，会提示没有权限，即使你是root用户如下：
[root@localhost ~]# ulimit -n 3229825
-bash: ulimit: open files: cannot modify limit: Operation not permitted原因是我们设置的值超过了单个进程能打开的最大文件数量：
cat /proc/sys/fs/nr_open
[root@localhost ~]# cat /proc/sys/fs/nr_open
1048576
[root@localhost ~]# ulimit -n 1048576
[root@localhost ~]# ulimit -n 1048577
-bash: ulimit: open files: cannot modify limit: Operation not permitted当我们设置小于等于单进程可以打开的最大文件数量后，就可以设置成功了，临时更改单个进程可以打开最大文件数量如下：
[root@localhost ~]# echo 3229826 > /proc/sys/fs/nr_open
[root@localhost ~]# cat /proc/sys/fs/nr_open
3229826
[root@localhost ~]# ulimit -n 1048577永久设置生效：
/etc/sysctl.conf 中添加或修 fs.nr_open值。通过sysctl -p 生效，或者通过命令设置：
sysctl -w fs.nr_open=1000000fs.nr_open限制单个进程打开最大文件数量
/proc/sys/fs/nr_open
This file imposes a ceiling on the value to which the RLIMIT_NOFILE resource limit can be raised (see getrlimit(2)). This ceiling is enforced for both unprivileged and privileged process. The default value in this file is 1048576.二 文件句柄和文件描述符
我们上面通过open函数返回的就是文件描述符，它是一个整数，每个进程都包含一个记录项，每个记录项内部都包含一个文件描述符表，里面包含文件描述符fd和一个文件指针，指向一个文件表，同一个文件打开多次会对应不同的文件表，不同的文件描述符，同上面的例子；多个文件描述符也可以指向不同的或相同的文件表， 这个文件表称为文件句柄，如下图：
为什么要区分这两者那，因为我们通常用lsof查看的是文件描述符的数量，file-nr为文件句柄数量，通过命令查看：
cat /proc/sys/fs/file-nr得到三个值，含义：
已分配文件句柄的数目 已分配未使用文件句柄的数目 文件句柄的最大数目
Historically, the three values in file-nr denoted the number of allocated file
handles, the number of allocated but unused file handles, and the maximum
number of file handles. Linux 2.6 always reports 0 as the number of free file
handles -- this is not an error, it just means that the number of allocated
file handles exactly matches the number of used file handles.file-nr文件里面的第一个字段代表的是内核分配的struct file的个数，也就是文件句柄个数，而不是文件描述符。通过上面的图关系我们可以看到，一个文件描述符肯定要有一个文件句柄，反过来，有一个文件句柄了，可能有多个文件描述符指向它，比如通过dup赋值文件描述符的情况或者父子进程情况，子进程会复制父进程的文件描述符表。
为什么要区分文件描述符和文件句柄，那是因为我们通过lsof查看的时候，查看到的是文件描述符，再测试下：
#include
#include
#include
#include
int main(int argc,char * argv[])
{
int i = 0;
int fd = open("/dev/zero",O_RDONLY);
for (i = 0; i < 1000; i++ ){
// dup只是会增加文件描述符的数量，
// 可能少量增加文件句柄数量或不增加看原来是否打开
int fdup = dup(fd);
if (fdup >0 ) {
printf("dup file:%d ,des:%d ok\n",i,fdup);
} else {
printf("dup file:%d error.\n",i);
}
}
pause();
} 我们写了这样一段代码，编译在另外一个终端运行，运行前面，通过下面的命令查看打开的句柄数量，和文件描述符的数量；运行后发现，lsof查看的文件描述符的数量增加了一千多，而文件句柄的数量没有增加，说明了，lsof查看的是文件描述符，通过测试我们也发现了ulimit -n限制的就是文件描述符的数量。
是不是文件描述符的数量一定比文件句柄多那，找了个例子测试下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void testm()
{
char * addr = NULL;
int fd = open("/dev/zero",O_RDONLY);
if (fd == -1 ){
printf("open error.\n");
}
addr = mmap(NULL,4096,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,0);
if (addr == MAP_FAILED)
printf("Map error");
else {
// munmap(addr,4096);
}
close(fd);
}
int main(int argc,char * argv[])
{
int i = 0;
for (; i<1000; i++)
testm();
pause();
} 运行发现，文件描述符的数量变化很小，而文件句柄的数量增加一千个左右，原因是文件描述符我们通过close(fd)关闭了，而通过mmap映射的内存块没有关闭，而文件句柄包含了映射的内存，没有释放，通过：
[testm@localhost ~]$ pmap -p 7226|grep "dev/zero" |wc -l
1000核对进程打开的映射内存是对的。
如果把注释的代码放开：munmap(addr,4096); ，这样的话文件句柄就不会怎么增加的。
三 file-max
file-max即整个linux系统能打开的文件总数，默认值是系统总内存(以KB为单位)/10, 查看办法：
cat /proc/sys/fs/file-max
766846更改file-max的大,临时生效
echo 786046 > /proc/sys/fs/file-max
或
sysctl -w fs.file-max=786046永久生效：
echo fs.file-max=786046 >> /etc/sysctl.conf
sysctl -p说明：
man 5 proc:
/proc/sys/fs/file-max
This file defines a system-wide limit on the number of open files for all processes. System calls that fail when encountering this limit fail with the error ENFILE.四 总结
文件句柄和文件描述符是两个不同东西，文件句柄对应：
1. open系统调用打开文件（path_openat内核函数)
2. 打开一个目录（dentry_open函数)
3. 共享内存attach （do_shmat函数）
4. socket套接字（sock_alloc_file函数）
5. 管道（create_pipe_files函数）
6. epoll/inotify/signalfd等功能用到的匿名inode文件系统（anon_inode_getfile函数)通过：
cat /proc/sys/fs/file-nr查看占用的句柄数量
文件描述符对应的有：
1. 文件为REG
2. 目录 DIR。
3. CHR表示字符设备
4. BLK标识块设备。
5. unix, FIFO, Ipv6分表表示UNIX域套接字，FIFO队列和IP套接字。通过：
lsof -n|awk ‘{print $2}’|sort|uniq -c|sort -nr|more | grep [PID]命令看看进程打开的文件描述符。
六 参考
[https://blog.csdn.net/u013256816/article/details/60778709](https://blog.csdn.net/u013256816/article/details/60778709)
[https://www.sohu.com/a/242941944_262549](https://www.sohu.com/a/242941944_262549)