Linux文件描述符与C FILE之间的关系

1. linux文件描述符

对于linux而言，所有对设备和文件的操作都使用文件描述符来进行的。文件描述符是一个非负的整数，它是一个索引值，指向内核中每个进程打开文件的记录表。当打开一个现存文件或创建一个新文件时，内核就向进程返回一个文件描述符；当需要读写文件时，也需要把文件描述符作为参数传递给相应的函数。

通常，一个进程启动时，都会打开3个文件：标准输入、标准输出和标准出错处理。这3个文件分别对应文件描述符为0、1和2（宏STD_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO）。

例如下面的程序，打开/home/shenlan/hello.c文件，如果此目录下没有hello.c文件，程序自动创建，程序中返回的文件描述符为3。因为进程启动时，打开了标准输入、标准输出和标准出错处理三个文件，因此返回的文件描述符为3。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
int fd;
if((fd = open("/home/shenlan/hello.c", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, 0611)) < 0){
perror("openfile hello.c error!\n");
exit(1);
} else {
printf("openfile hello.c success:%d\n",fd);
}
if(close(fd) < 0){
perror("closefile hello.c error!\n");
exit(1);
}
else
printf("closefile hello.c success!\n");
exit(0);
}

执行结果如下图所示：



2. 内核中的实现细节：

linux用一个数组来管理进程打开的文件的file对象，数组中的每一个元素都存放了一个指向进程所打开的文件的file对象。数组的下标用来访问文件。linux把数组元素的下标叫做该数组元素所对应文件的文件描述符，这个描述符就是系统对文件的标识，也叫做文件描述符数组。（注：内核可以通过系统调用函数dup(
)、dup2( )和fctl(
)将数组中的多个元素指向同一个文件的file对象。即同一个文件可以有多个文件描述符。）文件描述符表在files_struct结构中定义，为structfile*fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]；进程与文件系统及其所打开文件的关系如图所示：



3.进程打开一个文件的具体流程

进程通过系统调用open( )来打开一个文件，实质上是获得一个文件描述符，以便进程通过文件描述符为连接对文件进行其他操作。进程打开文件时，会为该文件创建一个file对象，并把该file对象存入进程打开文件表中（文件描述符数组），进而确定了所打开文件的文件描述符。

open( )操作在内核里通过sys_open(
)实现的，sys_open( )将创建文件的dentry、inode和file对象，并在file_struct结构体的进程打开文件表fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]中寻找一个空闲表项，然后返回这个表项的下标（索引），即文件描述符。创建文件的file对象时，将file对象的f_op指向了所属文件系统的操作函数集file_operations，而该函数集又来自具体文件的i节点，于是虚拟文件系统就与实际文件系统的操作衔接起来了。

4. C标准库中的FILE结构和文件描述符、files_struct和file结构之间的关系

早期的C标准库中，FILE在stdio.h中定义；Turbo
C中，参见谭浩强的《C程序设计》，FILE结构体中包含成员fd，即文件描述符。在glibc-2.9中，stdio.h中定义FILE为_IO_FILE类型(typedef
struct _IO_FILE FILE;)，而_IO_FILE在/glibc-2.9/libio/libio.h中定义，如下所示，亦可以在安装的Ubuntu系统的/usr/include/stdio.h中找到：

struct _IO_FILE {
int _flags;          /* High-order word is _IO_MAGIC; restis flags. */
#define _IO_file_flags _flags

/* The following pointerscorrespond to the C++ streambuf protocol. */
/* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_endfields directly. */
char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */
char* _IO_read_end;  /* End of get area. */
char* _IO_read_base; /* Start of putback+get area. */
char* _IO_write_base;       /* Start of put area. */
char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */
char* _IO_write_end; /* End of put area. */
char* _IO_buf_base;  /* Start of reserve area. */
char* _IO_buf_end;   /* End of reserve area. */
/* The following fields areused to support backing up and undo. */
char *_IO_save_base; /*Pointer to start of non-current get area. */
char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backuparea */
char *_IO_save_end; /*Pointer to end of non-current get area. */
struct _IO_marker *_markers;
struct _IO_FILE *_chain;

int _fileno;
#if 0
int _blksize;
#else
int _flags2;
#endif
_IO_off_t _old_offset; /*This used to be _offset but it's too small. */

#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
/* 1+column number ofpbase(); 0 is unknown. */
unsigned short _cur_column;
signed char _vtable_offset;
char _shortbuf[1];
/*  char* _save_gptr;  char* _save_egptr; */
_IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

当然，上面的结构体太复杂，我们只关心需要的部分-文件描述符，但是在上面的结构体中，我们并没有发现与文件描述符相关的诸如fd成员变量。此时，类型为int的_fileno结构体成员引起了我们的注意，但是不能确定其为文件描述符。因此写个程序测试是最好的办法，可以用以下的代码测试：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main( )
{
char buf[50] = {"ILOVE this game!"};
FILE *myfile;

myfile = fopen("2.txt","w+");
if(!myfile){
printf("error:openfile failed!\n");
}
printf("The openedfile's descriptor is %d\n",myfile->_fileno);
if(write(myfile->_fileno,buf,50) < 0){
perror("error:writefile failed!\n");
exit(1);
}else{
printf("writefile successed!\n");
}
exit(0);
}

程序中，使用fopen函数以读写打开2.txt文件，如果不存在2.txt文件，则创建此文件。并将其返回的FILE指针myfile。使用printf向标准终端打印出myfile->_fileno的值，并将myfile->_fileno作为文件描述符传递给write系统调用，向打开的文件写入缓冲区数据。然后使用cat命令查看2.txt的内容。执行的结果如图所示。_fileno的值为3，因为标准输入、输出、出错为0、1、2

因此，_fileno成员即为操作系统打开文件返回的句柄（windows系统）或文件描述符。深入学习可以阅读人民邮电出版社《C标准库》。当然还可以阅读/glibc-2.9/manual/io.txti文件。Linux中，文件的描述符分配是从小到大逐个查询文件描述符是否已经使用，然后再分配，也可以写程序测试。



file在/include/linux/fs.h中定义，从进程的角度来看，文件就是一个file结构的实例，也常常叫file对象。file对象是进程调用open打开一个文件，linux虚拟文件系统根据进程请求创建的一个file对象。进程通过该文件的file结构了解和操作文件。

struct file {
/*
* fu_list becomes invalid after file_free iscalled and queued via
* fu_rcuhead for RCU freeing
*/
union{
struct list_head       fu_list;
struct rcu_head      fu_rcuhead;
}f_u;
struct path             f_path;
#define f_dentry     f_path.dentry
#define f_vfsmnt    f_path.mnt
const struct file_operations    *f_op;
atomic_t         f_count;
unsigned int          f_flags;

mode_t                  f_mode;
loff_t                    f_pos;

struct fown_struct   f_owner;
unsigned int           f_uid, f_gid;
struct file_ra_state  f_ra;

u64                f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
void               *f_security;
#endif
/*needed for tty driver, and maybe others */
void               *private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL
/* Used by fs/eventpoll.c to link all thehooks to this file */
struct list_head       f_ep_links;
spinlock_t              f_ep_lock;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
struct address_space       *f_mapping;
#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT
unsigned long f_mnt_write_state;
#endif
};

文件描述符数组中存放了一个进程所打开的所有文件。文件描述符数组包含在进程打开的文件表files_struct结构中。在/include/linux/fdtable.h中定义，为一个指向file类型的指针数组---fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]，其中NR_OPEN_DEFAULT也在fdtable.h中定义，这是一个和具体的CPU体系结构有关的变量，#define
NR_OPEN_DEFAULTBITS_PER_LONG。以x86体系为例，BITS_PER_LONG 在/include/asm-x86/types.h中定义，32位CPU为32,64位CPU为64

struct files_struct {
/*
* read mostly part
*/
atomic_t count;
struct fdtable *fdt;
struct fdtable fdtab;
/*
* written part on aseparate cache line in SMP
*/
spinlock_t file_lock____cacheline_aligned_in_smp;
int next_fd;
struct embedded_fd_setclose_on_exec_init;
struct embedded_fd_setopen_fds_init;
struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
};

FILE结构和文件描述符、file结构之间的关系可以用下图来表示：