一文搞懂文件描述符

Linux中的文件描述符

我們知道在Linux系統(tǒng)中一切皆可以看成是文件，文件又可分為：普通文件、目錄文件、鏈接文件和設(shè)備文件。在操作這些所謂的文件的時(shí)候，我們每操作一次就找一次名字，這會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和效率。所以Linux中規(guī)定每一個(gè)文件對(duì)應(yīng)一個(gè)索引，這樣要操作文件的時(shí)候，我們直接找到索引就可以對(duì)其進(jìn)行操作了。

文件描述符（file descriptor）就是內(nèi)核為了高效管理這些已經(jīng)被打開的文件所創(chuàng)建的索引，其是一個(gè)非負(fù)整數(shù)（通常是小整數(shù)），用于指代被打開的文件，所有執(zhí)行I/O操作的系統(tǒng)調(diào)用都通過文件描述符來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還規(guī)定系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)的時(shí)候，0是標(biāo)準(zhǔn)輸入，1是標(biāo)準(zhǔn)輸出，2是標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤。這意味著如果此時(shí)去打開一個(gè)新的文件，它的文件描述符會(huì)是3，再打開一個(gè)文件文件描述符就是4......

Linux內(nèi)核對(duì)所有打開的文件有一個(gè)文件描述符表格，里面存儲(chǔ)了每個(gè)文件描述符作為索引與一個(gè)打開文件相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，簡(jiǎn)單理解就是下圖這樣一個(gè)數(shù)組，文件描述符（索引）就是文件描述符表這個(gè)數(shù)組的下標(biāo)，數(shù)組的內(nèi)容就是指向一個(gè)個(gè)打開的文件的指針。

上面只是簡(jiǎn)單理解，實(shí)際上關(guān)于文件描述符，Linux內(nèi)核維護(hù)了3個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

進(jìn)程級(jí)的文件描述符表

系統(tǒng)級(jí)的打開文件描述符表

文件系統(tǒng)的i-node表

一個(gè) Linux 進(jìn)程啟動(dòng)后，會(huì)在內(nèi)核空間中創(chuàng)建一個(gè) PCB 控制塊，PCB 內(nèi)部有一個(gè)文件描述符表（File descriptor table），記錄著當(dāng)前進(jìn)程所有可用的文件描述符，也即當(dāng)前進(jìn)程所有打開的文件。進(jìn)程級(jí)的描述符表的每一條記錄了單個(gè)進(jìn)程所使用的文件描述符的相關(guān)信息，進(jìn)程之間相互獨(dú)立，一個(gè)進(jìn)程使用了文件描述符3，另一個(gè)進(jìn)程也可以用3。除了進(jìn)程級(jí)的文件描述符表，系統(tǒng)還需要維護(hù)另外兩張表：打開文件表、i-node 表。這兩張表存儲(chǔ)了每個(gè)打開文件的打開文件句柄（open file handle）。一個(gè)打開文件句柄存儲(chǔ)了與一個(gè)打開文件相關(guān)的全部信息。

系統(tǒng)級(jí)的打開文件描述符表：

當(dāng)前文件偏移量（調(diào)用read()和write()時(shí)更新，或使用lseek()直接修改）

打開文件時(shí)的標(biāo)識(shí)（open()的flags參數(shù)）

文件訪問模式（如調(diào)用open()時(shí)所設(shè)置的只讀模式、只寫模式或讀寫模式）

與信號(hào)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的設(shè)置

對(duì)該文件i-node對(duì)象的引用，即i-node 表指針

文件系統(tǒng)的i-node表：

文件類型（例如：常規(guī)文件、套接字或FIFO）和訪問權(quán)限

一個(gè)指針，指向該文件所持有的鎖列表

文件的各種屬性，包括文件大小以及與不同類型操作相關(guān)的時(shí)間戳

文件描述符、打開的文件句柄以及i-node之間的關(guān)系如下圖：

在進(jìn)程 A 中，文件描述符 1 和 20 都指向了同一個(gè)打開文件表項(xiàng)，標(biāo)號(hào)為 23（指向了打開文件表中下標(biāo)為 23 的數(shù)組元素），這可能是通過調(diào)用 dup()、dup2()、fcntl() 或者對(duì)同一個(gè)文件多次調(diào)用了 open() 函數(shù)形成的。

進(jìn)程 A 的文件描述符 2 和進(jìn)程 B 的文件描述符 2 都指向了同一個(gè)文件，這可能是在調(diào)用 fork() 后出現(xiàn)的（即進(jìn)程 A、B 是父子進(jìn)程關(guān)系），或者是不同的進(jìn)程獨(dú)自去調(diào)用 open() 函數(shù)打開了同一個(gè)文件，此時(shí)進(jìn)程內(nèi)部的描述符正好分配到與其他進(jìn)程打開該文件的描述符一樣。

進(jìn)程 A 的描述符 0 和進(jìn)程 B 的描述符 3 分別指向不同的打開文件表項(xiàng)，但這些表項(xiàng)均指向 i-node 表的同一個(gè)條目（標(biāo)號(hào)為 1976）； 換言之，它們指向了同一個(gè)文件。 發(fā)生這種情況是因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程各自對(duì)同一個(gè)文件發(fā)起了 open() 調(diào)用。 同一個(gè)進(jìn)程兩次打開同一個(gè)文件，也會(huì)發(fā)生類似情況。

這就說明：同一個(gè)進(jìn)程的不同文件描述符可以指向同一個(gè)文件； 不同進(jìn)程可以擁有相同的文件描述符； 不同進(jìn)程的同一個(gè)文件描述符可以指向不同的文件（一般也是這樣，除了 0、1、2 這三個(gè)特殊的文件）； 不同進(jìn)程的不同文件描述符也可以指向同一個(gè)文件。

Linux系統(tǒng)文件描述符示例

比如在Linux上用 vim test.py 打開一個(gè)文件，保持打開狀態(tài)，再新打開一個(gè)新的shell，輸入命令pidof vim 獲取vim進(jìn)程的pid號(hào)，然后 ll /proc/$pid/fd 查看vim 進(jìn)程所使用的文件描述符列表。

/dev/pts是遠(yuǎn)程登錄(telnet,ssh等)后創(chuàng)建的控制臺(tái)設(shè)備文件所在的目錄。 因?yàn)槲沂峭ㄟ^Xshell遠(yuǎn)程登錄的，所以標(biāo)準(zhǔn)輸入0，標(biāo)準(zhǔn)輸出1，標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤2的文件描述符都指向虛擬終端控制臺(tái) /dev/pts/6 。 再看下面是新打開的 test.py 的文件描述符，竟然是4，說好的從3開始呢？

因?yàn)関im這種編輯器的原理是先打開源文件并拷貝，然后關(guān)閉源文件再打開自己的副本，修改完文件保存的時(shí)候直接將副本重命名覆蓋源文件。 所以打開源文件的時(shí)候用的文件描述符3，然后打開自己的副本是時(shí)候就該用文件描述符4了，然后關(guān)閉源文件，文件描述符3就被釋放了，我們查看的時(shí)候就只剩下了4，這里它指向的是vim創(chuàng)建的副本文件。

審核編輯：湯梓紅