파일 설명자와 FILE의 개념 소개

1. 파일 디스크립터(핵심)

리눅스 시스템에서는 모든 것을 파일로 간주할 수 있으며, 파일은 일반 파일, 디렉터리 파일, 링크 파일, 장치 파일로 나눌 수 있습니다. 파일 디스크립터는 열린 파일을 효율적으로 관리하기 위해 커널에서 생성한 인덱스로, 열린 파일을 참조하는 데 사용되는 음수가 아닌 정수(일반적으로 작은 정수)입니다. 모든 시스템 호출이 수행됩니다. 파일 설명자를 살펴보세요. 프로그램이 처음 시작되면 0은 표준 입력, 1은 표준 출력, 2는 표준 오류입니다. 이때 새 파일을 열면 해당 파일 설명자는 3이 됩니다.

1.1 개념 소개

파일 설명자 작업(예: open(), creat(), close(), read()))은 int 유형의 정수인 파일 설명자를 반환합니다. fd의 본질은 인덱스 역할을 하는 파일 설명자 테이블의 첨자입니다. 프로세스는 PCB의 파일 설명자 테이블을 통해 fd가 가리키는 파일 포인터 filp를 찾습니다. 각 프로세스는 프로세스 제어 블록인 PCB(Process Control Block)에 파일 설명자 테이블을 저장합니다. 파일 설명 테이블의 각 항목에는 열린 파일에 대한 포인터가 있습니다. 열린 파일은 커널의 file 구조로 표시되며 파일 설명자 테이블의 포인터는 file 구조를 가리킵니다. 파일을 열 때마다 기본적으로 사용되지 않은 가장 작은 인덱스부터 fd가 할당됩니다. 파일 설명자의 단점: UNIX 이외의 시스템으로 이식할 수 없으며 직관적이지 않습니다. file结构体表示，文件描述符表中的指针指向file结构体。每打开一个文件，fd默认从最小的未被使用的下标开始分配。文件描述符的缺点：不能移植到UNIX以外的系统上去，也不直观。

下面画张图来表示它们之间的关系：

 而每个文件中又主要包含以下这些信息：

1.2图表解释

在file结构体中维护File Status Flag（file结构体的成员f_flags）和当前读写位置（file结构体的成员f_pos）。在上图中，进程1和进程2都打开同一文件，但是对应不同的file结构体，因此可以有不同的File Status Flag和读写位置。file结构体中比较重要的成员还有f_count，表示引用计数（Reference Count），后面我们会讲到，dup、fork等系统调用会导致多个文件描述符指向同一个file结构体，例如有fd1和fd2都引用同一个file结构体，那么它的引用计数就是2，当close(fd1)时并不会释放file结构体，而只是把引用计数减到1，如果再close(fd2)，引用计数就会减到0同时释放file结构体，这才真的关闭了文件。

每个file结构体都指向一个file_operations结构体，这个结构体的成员都是函数指针，指向实现各种文件操作的内核函数。比如在用户程序中read一个文件描述符，read通过系统调用进入内核，然后找到这个文件描述符所指向的file结构体，找到file结构体所指向的file_operations结构体，调用它的read成员所指向的内核函数以完成用户请求。在用户程序中调用lseek、read、write、ioctl、open等函数，最终都由内核调用file_operations的各成员所指向的内核函数完成用户请求。file_operations结构体中的release成员用于完成用户程序的close请求，之所以叫release而不叫close是因为它不一定真的关闭文件，而是减少引用计数，只有引用计数减到0才关闭文件。对于同一个文件系统上打开的常规文件来说，read、write等文件操作的步骤和方法应该是一样的，调用的函数应该是相同的，所以图中的三个打开文件的file结构体指向同一个file_operations结构体。如果打开一个字符设备文件，那么它的read、write操作肯定和常规文件不一样，不是读写磁盘的数据块而是读写硬件设备，所以file结构体应该指向不同的file_operations

아래 그림을 그려 이들 사이의 관계를 보여주세요. 🎜🎜 각 파일에는 주로 다음 정보가 포함됩니다. 🎜🎜1.2 차트 설명🎜🎜 파일 상태 플래그(file 구조의 f_flags 멤버)와 file 구조에서 현재 읽기를 유지합니다. 쓰기 위치(멤버) file 구조의 f_pos). 위 그림에서 프로세스 1과 프로세스 2는 모두 동일한 파일을 열지만 다른 파일 구조에 해당하므로 서로 다른 파일 상태 플래그와 읽기 및 쓰기 위치를 가질 수 있습니다. file 구조의 더 중요한 멤버는 f_count이며, 이는 참조 횟수를 나타냅니다. dup, fork와 같은 호출은 여러 파일 설명자가 fd1 및 fd2와 같은 동일한 파일 구조를 가리키도록 합니다. 동일한 file 구조를 참조하면 참조 횟수는 2이고 close(fd1) 일 때 file 구조는 해제되지 않지만, 참조 카운트를 1로 줄입니다. close(fd2)를 다시 수행하면 참조 카운트가 0으로 줄어들고 file 구조가 해제되어 실제로 닫힙니다. . 문서. 🎜🎜각 file 구조는 file_Operations 구조를 가리킵니다. 이 구조의 멤버는 다양한 파일 작업을 구현하는 커널 함수를 가리키는 함수 포인터입니다. 예를 들어, 파일 설명자를 읽는 사용자 프로그램에서 read는 시스템 호출을 통해 커널에 들어간 다음 가리키는 file 구조를 찾습니다. 파일 설명자.body에서 file 구조가 가리키는 file_Operations 구조를 찾고 read 멤버가 가리키는 커널 함수를 호출합니다. 사용자 요청을 완료합니다. lseek, read, write, ioctl, open 등을 호출하세요. 사용자 프로그램 함수를 사용하면 커널은 최종적으로 file_Operations의 각 멤버가 가리키는 커널 함수를 호출하여 사용자 요청을 완료합니다. file_Operations 구조의 release 멤버는 사용자 프로그램의 close 요청을 완료하는 데 사용됩니다. release라고 불리는 이유입니다. 는 반드시 파일을 닫을 필요는 없지만, 참조 카운트가 0이 될 때만 파일을 닫는다고 해서 close라고 합니다. 동일한 파일 시스템에서 열린 일반 파일의 경우 읽기 및 쓰기 등 파일 작업의 단계와 방법이 동일해야 하며, 호출되는 함수도 동일해야 합니다. 따라서 그림에 있는 세 개의 열려 있는 파일의 file 구조는 동일한 file_Operations 구조를 가리킵니다. 문자 장치 파일을 열면 읽기 및 쓰기 작업은 일반 파일의 작업과 확실히 다릅니다. 디스크 데이터 블록을 읽고 쓰는 것이 아니라 읽고 쓰는 작업입니다. 하드웨어 장치이므로 file 구조는 장치의 드라이버에 의해 다양한 파일 작업 기능이 구현되는 다양한 file_Operations 구조를 가리켜야 합니다. 🎜

각 file 구조에는 dentry 구조에 대한 포인터가 있습니다. "dentry"는 디렉토리 항목의 약어입니다. open, stat 및 기타 함수에 전달하는 매개변수는 /home/akaedu/a와 같은 경로이며 다음을 찾아야 합니다. inode를 기반으로 한 파일입니다. 디스크 읽기 횟수를 줄이기 위해 커널은 dentry 캐시라고 하는 디렉터리의 트리 구조를 캐시합니다. 여기서 각 노드는 dentry 구조입니다. 루트 디렉터리 /에서 home 디렉터리를 찾은 다음 akaedu 디렉터리를 찾은 다음 a 파일을 찾습니다. 코드>. dentry 캐시는 최근에 액세스한 디렉토리 항목만 저장합니다. 찾고 있는 디렉토리 항목이 캐시에 없으면 디스크에서 메모리로 읽어야 합니다. <code>file结构体都有一个指向dentry结构体的指针，“dentry”是directory entry（目录项）的缩写。我们传给open、stat等函数的参数的是一个路径，例如/home/akaedu/a，需要根据路径找到文件的inode。为了减少读盘次数，内核缓存了目录的树状结构，称为dentry cache，其中每个节点是一个dentry结构体，只要沿着路径各部分的dentry搜索即可，从根目录/找到home目录，然后找到akaedu目录，然后找到文件a。dentry cache只保存最近访问过的目录项，如果要找的目录项在cache中没有，就要从磁盘读到内存中。

每个dentry结构体都有一个指针指向inode结构体。inode结构体保存着从磁盘inode读上来的信息。在上图的例子中，有两个dentry，分别表示/home/akaedu/a和/home/akaedu/b，它们都指向同一个inode，说明这两个文件互为硬链接。inode结构体中保存着从磁盘分区的inode读上来信息，例如所有者、文件大小、文件类型和权限位等。每个inode结构体都有一个指向inode_operations结构体的指针，后者也是一组函数指针指向一些完成文件目录操作的内核函数。和file_operations不同，inode_operations所指向的不是针对某一个文件进行操作的函数，而是影响文件和目录布局的函数，例如添加删除文件和目录、跟踪符号链接等等，属于同一文件系统的各inode结构体可以指向同一个inode_operations结构体。

inode结构体有一个指向super_block结构体的指针。super_block结构体保存着从磁盘分区的超级块读上来的信息，例如文件系统类型、块大小等。super_block结构体的s_root成员是一个指向dentry的指针，表示这个文件系统的根目录被mount到哪里，在上图的例子中这个分区被mount到/home目录下。

file、dentry、inode、super_block

각 dentry 구조에는 inode 구조를 가리키는 포인터가 있습니다. inode 구조는 디스크 inode에서 읽은 정보를 저장합니다. 위의 예에는 각각 /home/akaedu/a와 /home/akaedu/b를 나타내는 두 개의 dentries가 있습니다. 둘 다 동일한 inode를 가리키고 있음을 나타냅니다. 두 파일은 서로 하드 링크되어 있습니다. inode 구조는 소유자, 파일 크기, 파일 유형, 권한 비트 등과 같이 디스크 파티션의 inode에서 읽은 정보를 저장합니다. 각 inode 구조에는 inode_Operations 구조에 대한 포인터가 있으며, 이 구조는 파일 디렉터리 작업을 완료하는 일부 커널 함수를 가리키는 함수 포인터 집합이기도 합니다. file_Operations와 달리 inode_Operations는 특정 파일에 대해 작동하는 함수를 가리키는 것이 아니라 파일 및 디렉터리 추가, 삭제 등 파일 및 디렉터리의 레이아웃에 영향을 미치는 함수를 가리킵니다. 심볼릭 링크 등을 추적하면 동일한 파일 시스템에 속하는 각 inode 구조가 동일한 inode_Operations 구조를 가리킬 수 있습니다.

inode 구조에는 super_block 구조에 대한 포인터가 있습니다. super_block 구조는 파일 시스템 유형, 블록 크기 등과 같은 디스크 파티션의 슈퍼 블록에서 읽은 정보를 저장합니다. super_block 구조의 s_root 멤버는 dentry에 대한 포인터이며, 이 파일 시스템의 루트 디렉터리가 mount라는 것을 나타냅니다. code> 위의 예에서 이 파티션은 <code>/home 디렉터리에 mount됩니다.

file, dentry, inode, super_block 이러한 구조는 VFS(Virtual File System VFS, 핵심 개념)를 형성합니다. 가상 파일 시스템).

1.3 파일 설명자 작업

(1). Linux 파일 설명자 보기

 1 [root@localhost ~]# sysctl -a | grep -i file-max --color 3 fs.file-max = 392036 5 [root@localhost ~]# cat /proc/sys/fs/file-max 7 392036 9 [root@localhost ~]# ulimit -n11 102413 [root@localhost ~]#

Linux의 최대 파일 설명자에는 두 가지 제한 사항이 있습니다. 하나는 사용자 수준 제한이고 다른 하나는 시스템 수준 제한입니다. .

시스템 수준 제한: sysctl 명령과 proc 파일 시스템에 표시되는 값은 동일합니다. 이는 모든 사용자에 대해 열려 있는 파일 설명자의 총 개수를 제한합니다. 사용자 수준 제한 사항: ulimit 명령으로 표시됩니다. 도달한 것은 사용자 수준 최대 파일 설명자 제한입니다. 즉, 로그인 후 각 사용자가 실행한 프로그램이 차지하는 총 파일 설명자 수가 이 제한을 초과할 수 없음을 의미합니다

( 2) 파일 설명자 값을 수정하세요

1 [root@localhost ~]# ulimit-SHn 102402 [root@localhost ~]# ulimit  -n3 102404 [root@localhost ~]#

위 수정 사항은 현재 세션에만 적용되며 일시적입니다. 영구 수정이 필요한 경우 다음과 같이 수정해야 합니다.

1 [root@localhost ~]# grep -vE'^$|^#' /etc/security/limits.conf2 *                hard nofile                  40963 [root@localhost ~]#

1 //默认配置文件中只有hard选项，soft 指的是当前系统生效的设置值，hard 表明系统中所能设定的最大值2 [root@localhost ~]# grep -vE'^$|^#' /etc/security/limits.conf3 *      hard         nofile       102404 *      soft         nofile      102405 [root@localhost ~]#6 // soft<=hard soft的限制不能比hard限制高

(3). 시스템 제한 수정

1 [root@localhost ~]# sysctl -wfs.file-max=4000002 fs.file-max = 4000003 [root@localhost ~]# echo350000 > /proc/sys/fs/file-max  //重启后失效4 [root@localhost ~]# cat /proc/sys/fs/file-max5 3500006 [root@localhost ~]#

//위는 파일 설명자를 임시 수정합니다

///etc/sysctl.conf에 fs.file-max=400000을 추가하고 sysctl -p

1.4를 사용하여 수정합니다. 파일 설명자를 보려면 프로그램을 사용하세요

다음 프로그램은 /home/shenlan/hello.c 파일을 엽니다. 이 디렉터리에 hello.c 파일이 없으면 프로그램이 자동으로 파일을 생성합니다. 프로그램에서 반환된 파일 설명자는 3입니다. 프로세스가 시작되면 표준 입력(0), 표준 출력(1) 및 표준 오류 처리 (2) 의 세 가지 파일이 열리기 때문에 기본적으로 fd는 사용되지 않은 가장 작은 첨자부터 할당되므로 반환되는 파일은 다음과 같습니다. 설명 기호는 3입니다.

 1 #include<stdio.h> 2 #include<sys/types.h> 3 #include<sys/stat.h> 4 #include<fcntl.h> 5 #include<stdlib.h> 6 int main() 7 { 8        int fd; 9        if((fd = open("/home/shenlan/fd.c",O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0611))<0){10               perror("openfile fd.c error!\n");11               exit(1);12        }13        else{14               printf("openfile fd.c success:%d\n",fd);15        }16        if(close(fd) < 0){17               perror("closefile fd.c error!\n");18               exit(1);19        }20        else21               printf("closefile fd.c success!\n");22        exit(0);23 }

🎜

执行结果：

1.5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。

 2.C标准库中的FILE结构和文件描述符

C语言中使用的是文件指针而不是文件描述符做为I/O的句柄."文件指针(file pointer)"指向进程用户区中的一个被称为FILE结构的数据结构。FILE结构包括一个缓冲区和一个文件描述符值.而文件描述符值是文件描述符表中的一个索引.从某种意义上说文件指针就是句柄的句柄。流(如: fopen)返回的是一个FILE结构指针, FILE结构是包含有文件描述符的，FILE结构函数可以看作是对fd直接操作的系统调用的封装, 它的优点是带有I/O缓存。

从文件描述符fd 到文件流 FILE* 的函数是
FILE* fdopen(int filedes,const char* mode);

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。亦可以在安装的Ubuntu系统的/usr/include/stdio.h中找到struct _IO_FILE结构体，这个结构体比较复杂，我们只关心需要的部分-文件描述符，但是在这个的结构体中，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：

 1 #include<stdio.h> 2 #include<stdlib.h> 3 #include<sys/types.h> 4 #include<sys/stat.h> 5 #include<fcntl.h> 6 int main( ) 7 { 8        char buf[50] = {"ILOVE this game!"}; 9        FILE *myfile;10 11        myfile = fopen("2.txt","w+");12        if(!myfile){13               printf("error:openfile failed!\n");14        }15        printf("The openedfile's descriptor is %d\n",myfile->_fileno);16        if(write(myfile->_fileno,buf,50)< 0){17               perror("error:writefile failed!\n");18               exit(1);19        }else{20               printf("writefile successed!\n");21        }22        exit(0);23 }

프로그램에서 fopen 함수를 사용하여 2.txt 파일을 열고 2.txt 파일이 없으면 이 파일을 만듭니다. 그리고 FILE 포인터 myfile을 반환합니다. printf를 사용하여 myfile->_fileno 값을 표준 터미널에 인쇄하고 myfile->_fileno를 파일 설명자로 write 시스템 호출에 전달하여 열린 파일에 버퍼 데이터를 씁니다. . 그런 다음 cat 명령을 사용하여 2.txt의 내용을 확인하세요. 실행 결과는 그림에 나와 있습니다. 표준 입력, 출력 및 오류가 0, 1, 2이므로 _fileno의 값은 3입니다. 출력 결과는 다음과 같습니다.
따라서 _fileno 멤버는 파일을 열 때 운영 체제에서 반환한 핸들(windows 시스템) 또는 파일 설명자입니다. 좀 더 깊이 있게 공부하려면 인민정신출판사에서 발행하는 『C표준도서관』을 읽어보세요. 물론 /glibc-2.9/manual/io.txti 파일을 읽을 수도 있습니다. Linux, 파일 디스크립터 할당은 파일 디스크립터가 작은 것부터 큰 것까지 하나씩 사용되었는지 확인한 후 프로그램을 작성하여 테스트할 수도 있습니다.

파일 설명자 테이블은 프로세스에서 연 모든 파일을 저장하는 파일 설명자 배열이라고도 합니다. 파일 설명자 배열은 프로세스의 열린 파일 테이블 files_struct 구조에 포함되어 있습니다. /include/linux/fdtable.h에 정의되어 있으며 filetype---fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]에 대한 포인터 배열입니다. 여기서 NR_OPEN_DEFAULT는 fdtable.h에도 정의되어 있습니다. 특정 CPU아키텍처, #define NR_OPEN_DEFAULTBITS_PER_LONG과 관련된 변수입니다.

FILE 구조와 파일 설명자 file 구조 사이의 관계는 다음 그림으로 나타낼 수 있습니다.