檔案描述符和檔案指標的區別

2011-07-05 16:05:52

分類： linux

檔案描述符：在linux系統中開啟檔案就會獲得檔案描述符，它是個很小的正整數。每個程序在pcb（process control block）中儲存著乙份檔案描述符表，檔案描述符就是這個表的索引，每個表項都有乙個指向已開啟檔案的指標。

檔案指標：c語言中使用檔案指標做為i/o的控制代碼。檔案指標指向程序使用者區中的乙個被稱為file結構的資料結構。file結構包括乙個緩衝區和乙個檔案描述符。而檔案描述符是檔案描述符表的乙個索引，因此從某種意義上說檔案指標就是控制代碼的控制代碼（在windows系統上，檔案描述符被稱作檔案控制代碼）。

附：檔案系統

vfs

linux支援各種各樣的檔案系統格式，如ext2、ext3、reiserfs、fat、ntfs、iso9660等等，不同的磁碟分割槽、光碟或其它儲存裝置都有不同的檔案系統格式，然而這些檔案系統都可以mount到某個目錄下，使我們看到乙個統一的目錄樹，各種檔案系統上的目錄和檔案我們用ls命令看起來是一樣的，讀寫操作用起來也都是一樣的，這是怎麼做到的呢？linux核心在各種不同的檔案系統格式之上做了乙個抽象層，使得檔案、目錄、讀寫訪問等概念成為抽象層的概念，因此各種檔案系統看起來用起來都一樣，這個抽象層稱為虛擬檔案系統（vfs，virtual filesystem）。上一節我們介紹了一種典型的檔案

系統在磁碟上的儲存布局，這一節我們介紹執行時檔案系統在核心中的表示。

核心資料結構

linux核心的vfs子系統可以圖示如下：

在第 28 章檔案與i/o

中講過，每個程序在pcb（process control block）中都儲存著乙份檔案描述符表，檔案描述符就是這個表的索引，每個表項都有乙個指向已開啟檔案的指標，現在我們明確一下：已開啟的檔案在核心中用file結構體表示，檔案描述符表中的指標指向file結構體。

在file結構體中維護file status flag（file結構體的成員f_flags）和當前讀寫位置（file結構體的成員f_pos）。在上圖中，程序1和程序2都開啟同一檔案，但是對應不同的file結構體，因此可以有不同的file status flag和讀寫位置。file結構體中比較重要的成員還有f_count，表示引用計數（reference count），後面我們會講到，dup、fork等系統呼叫會導致多個檔案描述符指向同乙個file結構體，例如有fd1和fd2都引用同乙個file結構體，那麼它的引用計數就是2，當close(fd1)時並不會釋放file結構體，而只是把引用計數減到1，如果再close(fd2)，引用計數就會減到0同時釋放file結構體，這才真的關閉了檔案。

每個file結構體都指向乙個file_operations結構體，這個結構體的成員都是函式指標，指向實現各種檔案操作的核心函式。比如在使用者程式中read乙個檔案描述符，read通過系統呼叫進入核心，然後找到這個檔案描述符所指向的file結構體，找到file結構體所指向的file_operations結構體，呼叫它的read成員所指向的核心函式以完成使用者請求。在使用者程式中呼叫lseek、read、write、ioctl、open等函式，最終都由核心呼叫file_operations的各成員所指向的核心函式完成使用者請求。file_operations結構體中的release成員用於完成使用者程式的close請求，之所以叫release而不叫close是因為它不一定真的關閉檔案，而是減少引用計數，只有引用計數減到0才關閉檔案。對於同乙個檔案系統上開啟的常規檔案來說，read、write等檔案操作的步驟和方法應該是一樣的，呼叫的函式應該是相同的，所以圖中的三個開啟檔案的file結構體指向同乙個file_operations結構體。如果開啟乙個字元裝置檔案，那麼它的read、write操作肯定和常規檔案不一樣，不是讀寫磁碟的資料塊而是讀寫硬體裝置，所以file結構體應該指向不同的file_operations結構體，其中的各種檔案操作函式由該裝置的驅動程式實現。

每個file結構體都有乙個指向dentry結構體的指標，「dentry」是directory entry（目錄項）的縮寫。我們傳給open、stat等函式的引數的是乙個路徑，例如/home/akaedu/a，需要根據路徑找到檔案的inode。為了減少讀盤次數，核心快取了目錄的樹狀結構，稱為dentry cache，其中每個節點是乙個dentry結構體，只要沿著路徑各部分的dentry搜尋即可，從根目錄/找到home目錄，然後找到akaedu目錄，然後找到檔案a。dentry cache只儲存最近訪問過的目錄項，如果要找的目錄項在cache中沒有，就要從磁碟讀到記憶體中。

每個dentry結構體都有乙個指標指向inode結構體。inode結構體儲存著從磁碟inode讀上來的資訊。在上圖的例子中，有兩個dentry，分別表示/home/akaedu/a和/home/akaedu/b，它們都指向同乙個inode，說明這兩個檔案互為硬鏈結。

硬連線不能跨分割槽，而軟連線可以！

硬連線總是指向乙個i節點，而軟連線是建立乙個新的i節點。這就是它為什麼可以跨分割槽的原因！

軟連線可以對乙個不存在的檔案鏈結，而硬連線不能，因為他要指向原始檔的i節點，所以原始檔必須存在！硬連線不能對目錄鏈結，i節點的原因是其中之一，第二個原因是目錄的特殊性！inode結構體中儲存著從磁碟分割槽的inode讀上來資訊，例如所有者、檔案大小、檔案型別和許可權位等。每個inode結構體都有乙個指向inode_operations結構體的指標，後者也是一組函式指標指向一些完成檔案目錄操作的核心函式。和file_operations不同，inode_operations所指向的不是針對某乙個檔案進行操作的函式，而是影響檔案和目錄布局的函式，例如新增刪除檔案和目錄、跟蹤符號鏈結等等，屬於同一檔案系統的各inode結構體可以指向同乙個inode_operations結構體。

inode結構體有乙個指向super_block結構體的指標。super_block結構體儲存著從磁碟分割槽的超級塊讀上來的資訊，例如檔案系統型別、塊大小等。super_block結構體的s_root成員是乙個指向dentry的指標，表示這個檔案系統的根目錄被mount到**，在上圖的例子中這個分割槽被mount到/home目錄下。

file、dentry、inode、super_block這幾個結構體組成了vfs的核心概念。對於ext2檔案系統來說，在磁碟儲存布局上也有inode和超級塊的概念，所以很容易和vfs中的概念建立對應關係。而另外一些檔案系統格式來自非unix系統（例如windows的fat32、ntfs），可能沒有inode或超級塊這樣的概念，但為了能mount到linux系統，也只好在驅動程式中硬湊一下，在linux下看fat32和ntfs分割槽會發現許可權位是錯的，所有檔案都是rwxrwxrwx，因為它們本來就沒有inode和許可權位的概念，這是硬湊出來的。

檔案描述符和檔案指標的區別

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