文件控制的内核表达

打开文件的内核表达

内核用3个相关的数据结构来表达打开的文件

• 描述符表

  • 每个进程都有一个独立的文件描述符表
  • 文件描述符是一个非负整数，它是对文件或其他I/O资源的引用
  • 文件描述符表中的每个元素是一个索引，用于引用文件表中的相应文件
  • 通过文件描述符，进程可以访问其打开的文件

• 文件表

  • 所有进程共享。
  • 是内核中的一个数据结构，它记录了系统中所有打开文件的信息
  • 每个打开的文件都在文件表中有一个唯一相应的表项
  • 每项包含以下信息：文件位置、引用数、…、指 向v-node表的一项的指针等

• v-node表

  • 所有进程共享
  • 是文件系统级别的数据结构，它表示文件系统中的一个文件或目录
  • 每个文件表项通常包含一个指向相应v节点的指针。v节点包含可被stat系统调用读取的信，如文件类型、文件所有者、文件大小等。

内核跟踪用户进程打开的文件

在文件打开过程中，文件表、文件描述符表和v节点之间的关系大致如下：

1. 进程通过系统调用（如 open）请求打开文件。
2. 内核在文件表中创建一个文件表项，同时创建或更新相应的v节点。
3. 内核分配一个文件描述符，将文件表项的索引添加到进程的文件描述符表中。
4. 进程通过文件描述符访问文件，而文件描述符通过文件描述符表中的索引引用文件表项，后者包含了对v节点的引用。

用同一文件名两次调用open

调用fork()之后（与图1对比）

• 子进程的描述符表与父进程的一样

• 打开文件表的引用数+1

文件描述符

-fork

如果文件仅包含串”abcde”,程序将打印什么？

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd1;
    char c1, c2;
    char *fname = argv[1];
    fd1 = open(fname, O_RDONLY, 0);
    read(fd1, &c1, 1);
    if (fork())
    { /*Parent*/
        read(fd1, &c2, 1);
        printf("Parent:c1 = %c, c2 = %c\n", c1, c2);
    }
    else
    { /*Child*/
        sleep(5);
        read(fd1, &c2, 1);
        printf("Child:c1 = %c, c2 = %c\n", c1, c2);
    }
}

1. 打开文件并读取第一个字符 ‘a’ 存储在变量 c1 中：

   fd1 = open(fname, O_RDONLY, 0);
   read(fd1, &c1, 1);
   

2. 进行 fork 操作，创建子进程：

   if (fork()) {
       // Parent process
   } else {
       // Child process
   }
   

   在这一步之后，父子进程拥有相同的文件描述符 fd1，但是它们有各自的地址空间。

3. 在父进程中：

   read(fd1, &c2, 1);
   printf("Parent: c1 = %c, c2 = %c\n", c1, c2);
   

   • 父进程继续从文件中读取下一个字符 ‘b’，并将其存储在变量 c2 中。
   • 父进程打印 “Parent: c1 = a, c2 = b”。

4. 在子进程中：

   sleep(5);
   read(fd1, &c2, 1);
   printf("Child: c1 = %c, c2 = %c\n", c1, c2);
   

   • 子进程调用 sleep(5) 暂停执行 5 秒。
   • 子进程在暂停之后继续执行，从文件中读取下一个字符 ‘c’，并将其存储在变量 c2 中。
   • 子进程打印 “Child: c1 = a, c2 = c”。

总结：

• 父子进程共享相同的文件描述符，但它们各自有独立的地址空间。
• 父进程先读取一个字符 ‘a’，然后从文件中读取下一个字符 ‘b’。
• 子进程在调用 sleep(5) 暂停 5 秒后，继续从文件中读取下一个字符 ‘c’。

因此，输出是：

c1 = a, c2 = b
Child: c1 = a, c2 = c

-dup2

如果文件仅包含串”abcde”,程序将打印什么？

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd1, fd2, fd3;
    char c1, c2, c3;
    char *fname = argv[1];
    fd1 = open(fname, O_RDONLY, 0);
    fd2 = open(fname, O_RDONLY, 0);
    fd3 = open(fname, O_RDONLY, 0);
    printf("fd1 = %d, fd2 = %d, fd3 = %d\n", fd1, fd2, fd3);
    dup2(fd2, fd3);
    printf("fd1 = %d, fd2 = %d, fd3 = %d\n", fd1, fd2, fd3);
    read(fd1, &c1, 1);
    read(fd2, &c2, 1);
    read(fd3, &c3, 1);
    printf("c1 = %c, c2 = %c, c3 = %c\n", c1, c2, c3);
    return 0;
}

1. fd1 读取文件中的第一个字符 ‘a’，存储在变量 c1 中。
2. fd2 和 fd3 与 fd1 共享相同的文件描述符表项，包括读取位置。所以，fd2 实际上也从文件的开头读取字符，即读取文件中的第一个字符 ‘a’，存储在变量 c2 中。同时，fd3 从fd2读取文件后的当前位置，即第二个字符读取字符，因此 fd3 读取文件中的第二个字符 ‘b’，存储在变量 c3 中。

实际的输出是：

c1 = a, c2 = a, c3 = b

总结

? 在同一个进程中，如果多次使用 open 打开同一个文件，每次调用 open 都会返回一个新的文件描述符。这些文件描述符是相互独立的，每个都有自己的文件读写位置等状态。修改其中一个文件描述符的状态不会影响其他文件描述符。

? 在父子进程之间，如果调用 fork 创建子进程，子进程会继承父进程的文件描述符表。这意味着父子进程共享相同的文件描述符，包括相同的文件读写位置。如果一个进程修改了文件的读写位置，另一个进程也会受到影响。