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候，我們每操作一次就找一次名字，這會耗費(fèi)大量的時間和效率。所以Linux中規(guī)定每一個文件對應(yīng)一個索引，這樣要操作文件的時候，我們直接找到索引就可以對其進(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)。同時還規(guī)定系統(tǒng)剛剛啟動的時候，0是標(biāo)準(zhǔn)輸入，1是標(biāo)準(zhǔn)輸出，2是標(biāo)準(zhǔn)錯誤。這意味著如果此時去打開一個新的文件，它的文件描述符會是3，再打開一個文件文件描述符就是4......

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

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

進(jìn)程級的文件描述符表

系統(tǒng)級的打開文件描述符表

文件系統(tǒng)的i-node表

一個 Linux 進(jìn)程啟動后，會在內(nèi)核空間中創(chuàng)建一個 PCB 控制塊，PCB 內(nèi)部有一個文件描述符表（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)程級的描述符表的每一條記錄了單個進(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，一個進(jìn)程使用了文件描述符3，另一個進(jìn)程也可以用3。除了進(jìn)程級的文件描述符表，系統(tǒng)還需要維護(hù)另外兩張表：打開文件表、i-node 表。這兩張表存儲了每個打開文件的打開文件句柄（open file handle）。一個打開文件句柄存儲了與一個打開文件相關(guān)的全部信息。

系統(tǒng)級的打開文件描述符表：

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

打開文件時的標(biāo)識（open()的flags參數(shù)）

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

與信號驅(qū)動相關(guān)的設(shè)置

對該文件i-node對象的引用，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 都指向了同一個打開文件表項(xiàng)，標(biāo)號為 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() 或者對同一個文件多次調(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)打開了同一個文件，此時進(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 表的同一個條目（標(biāo)號為 1976）； 換言之，它們指向了同一個文件。 發(fā)生這種情況是因?yàn)槊總€進(jìn)程各自對同一個文件發(fā)起了 open() 調(diào)用。 同一個進(jìn)程兩次打開同一個文件，也會發(fā)生類似情況。

這就說明：同一個進(jìn)程的不同文件描述符可以指向同一個文件； 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 打開一個文件，保持打開狀態(tài)，再新打開一個新的shell，輸入命令pidof vim 獲取vim進(jìn)程的pid號，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)錯誤2的文件描述符都指向虛擬終端控制臺 /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候直接將副本重命名覆蓋源文件。 所以打開源文件的時候用的文件描述符3，然后打開自己的副本是時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