文件相关内核数据结构

作者：冯利美,华清远见嵌入式学院讲师。

一、struct file

系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。struct file结构体定义在/linux/include/linux/fs.h。

该结构体中含有文件的属性：包括

1、mode_t f_mode

对文件的读写模式，对应系统调用open的mod_t mode参数。如果驱动程序需要这个值，可以直接读取这个字段。mod_t被定义为unsigned int。

2、当前的文件指针位置，即文件的读写位置(loff_t f_pos) loff_t被定义为：long long

3、文件的所有者id，所有者所在组的id

二、与进程联系的文件系统相关结构

进程是通过文件描述符（file descriptor，fd）来访问文件的，每个进程最多能同时使用NR_OPEN个文件描述符，这个值在include/linux/limits.h中定义为1024。每一个进程用一个打开文件表files_struct来描述进程的文件描述符使用情况。每一个文件都有一个文件指针。

进程的task_struct中有文件系统相关的数据成员：

struct task_struct {
        ……
        /* filesystem information */
                struct fs_struct *fs;
        /* open file information */
                struct files_struct *files;
        ……
        };

结构fs_struct给出了与进程相关的文件系统的信息，比如进程自己的当前工作目录，它的根目录等。

还有一个表表示进程打开的文件，即task_struct结构的files_struct类型的files字段。它给出了所有的进程描述符的使用情况，其file结构指针数组成员给出了文件描述符的信息，其定义如下：

include/linux/fdtable.h
        struct files_struct {
            ……
                /* 文件描述符表 */
                struct fdtable *fdt;
                struct fdtable fdtab;
                /* 文件对象指针的初始化数组 */
                struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
        };

文件描述符表的所有元素被放在一个单独的结构——struct fdtable中。即fdtable结构是进程的文件描述符表，其定义如下：

include/linux/fdtable.h
        struct fdtable {
            ……
                unsigned int max_fds;
                struct file ** fd; /* current fd array */
                fd_set *open_fds;
                struct fdtable *next;
        };

fd字段指向文件对象指针数组。该数组的长度存放在max_fds中。通常，fd字段指向files_struct的fd_array字段，该字段包含32个文件对象指针。如果进程打开的文件数目多于32个，内核就分配一个新的、更大的文件指针数组，并将其地址放在fd中，内核也同时更新max_fds字段的值。

对于在fd数组中有元素的每个文件来说，数组的索引就是文件描述符。Unix进程将文件描述符作为主文件标识符。两个文件描述符可以指向同一个打开的文件。

进程不能使用多于NR_OPEN个文件描述符。open_fds字段最初包含open_fds_init字段的地址，open_fds_init表示当前已打开文件描述符的位图。max_fds字段存放位图中的位数。

fd_set结构是文件描述符集，它将同一种情况下的多个文件描述符放在一起。在include/linux/types.h有中定义：

typedef __kernel_fd_set fd_set;
        __kernel_fd_set结构在include/linux/posix_types.h中定义：
        typedef struct {
            unsigned long fds_bits [__FDSET_LONGS];
        } __kernel_fd_set;

三、打开文件的内核数据结构

每个进程中有一张打开文件描述符表（struct task_struct→struct files_struct→struct fdtable→struct file ** fd 在fd数组中有元素的每个文件来说，数组的索引就是文件描述符）。可将其视为一个矢量，每个描述符占用一项。与每个文件描述符相关联的是：a)文件描述符标志。b)指向一个文件表项的指针(struct file*)。