彻底理解 Linux 中的 文件描述符(fd)

[JemmyH]

文件描述符(file descriptor) 在 Linux编程 里随处可见，设备读写、网络通信、进程通信，fd 可谓是关键中的关键。
深入理解可以增加我们使用它的信心。

[JemmyH]

1. 什么是文件描述符？

在Linux系统中一切皆可以看成是文件。文件描述符(file descriptor)是内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引(可以理解成数组的 index)，是一个非负整数，用于指代被打开的文件，所有执行 I/O操作 的系统调用都通过文件描述符。程序刚刚启动的时候，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误。如果此时去打开一个新的文件，它的文件描述符会是3。

2. 文件描述符、文件、进程间的关系

系统为了维护文件描述符，维护了三个实体表：

• 进程级的 文件描述符表(task_struct(PCB)->files_struct)
• 系统级的 打开文件表，内核对所有打开文件维护的一个描述表格，表格中的每一项称为打开文件句柄，可以理解为 文件指针 到 inode 的映射；
• inode 表，存储文件的 metadata 信息，如 文件类型，访问权限，文件属性等。

有关 inode，可以参考此篇文章 阮一峰 理解 inode

这三张表之间的关系可以这么描述：

• 每个文件描述符会与一个打开的文件相对应
• 不同的文件描述符也可能指向同一个文件
• 相同的文件可以被不同的进程打开，也可以在同一个进程被多次打开

借助 Linux文件描述符到底是什么？ 中的一张图说明它们三者之间的关系：

• 在进程A中，文件描述符 1 和 20 都指向了同一个打开的文件句柄 #23，这可能是该进程多次对执行 open 操作;
• 进程A 中的文件描述符2 和 进程B 的文件描述符 2 都指向了同一个打开的文件句柄 #73，这种情况有几种可能： 1.进程A 和 进程B 可能是 父子进程 关系; 2.进程A 和 进程B 打开了同一个文件，且文件描述符相同(很少发生)；3. A 或 B 中某个进程通过 UNIX套接字 将一个打开的文件描述符传递给另一个进程。
• 进程A 的描述符0和进程B的描述符3分别指向不同的打开文件句柄，但这些句柄均指向 inode表 的相同条目 #1936，换言之，指向同一个文件。发生这种情况是因为每个进程各自对同一个文件发起了打开请求。同一个进程两次打开同一个文件，也会发生类似情况。

换句话说，文件描述符(fd) 只是数组的下标！

3. 关于 fd_install

内核中关于 fd 最常用的代码片段如下：

int fd;
struct file *file;

// 从当前进程的文件描述符表的 fd 数组中取一个未使用的，将其状态设置为 `busy`，并返回数组下标，这个数组下标就是 fd
fd = get_unused_fd_flags(flags);
// 创建 file 结构体，并将其关联inode
file = anon_inode_getfile(...);

// 将 fd 和 file 关联
fd_install(fd, file);

我们继续看 fd_install 的代码：

// fs/file.c
/*
 * Install a file pointer in the fd array.
 *
 * The VFS is full of places where we drop the files lock between
 * setting the open_fds bitmap and installing the file in the file
 * array.  At any such point, we are vulnerable to a dup2() race
 * installing a file in the array before us.  We need to detect this and
 * fput() the struct file we are about to overwrite in this case.
 *
 * It should never happen - if we allow dup2() do it, _really_ bad things
 * will follow.
 *
 * This consumes the "file" refcount, so callers should treat it
 * as if they had called fput(file).
 */

void fd_install(unsigned int fd, struct file *file)
{
	struct files_struct *files = current->files;
	struct fdtable *fdt;

	rcu_read_lock_sched();

	if (unlikely(files->resize_in_progress)) {
		rcu_read_unlock_sched();
		spin_lock(&files->file_lock);
		// 获取当前进程的文件描述符表结构
		fdt = files_fdtable(files);
		BUG_ON(fdt->fd[fd] != NULL);
		// 将 fdtable 中的指针数组 fd 的下标指向要设置的 file，这样在当前进程下，file 和 fd 就建立了对应关系
		// 当用户使用 fd 与内核发生交互时，内核可以根据 fd 在 current->fdt->fd[fd] 中得到对应的内部文件管理结构 struct file。
		rcu_assign_pointer(fdt->fd[fd], file);
		spin_unlock(&files->file_lock);
		return;
	}
	/* coupled with smp_wmb() in expand_fdtable() */
	smp_rmb();
	fdt = rcu_dereference_sched(files->fdt);
	BUG_ON(fdt->fd[fd] != NULL);
	rcu_assign_pointer(fdt->fd[fd], file);
	rcu_read_unlock_sched();
}