文件描述符、文件描述符表、目录项、索引节点之间的总结联系

时间:2024-05-22 21:18:23

文件控制块(目录项/FCB):用来存放控制文件需要的各种信息的数据结构,以实现“按名存取”。一个FCB就是一个目录项,当创建一个新文件时,系统将分配一个FCB并存放在文件目录中,成为目录项,目录项中包含了文件名+索引节点(inode)指针

文件描述符:open打开文件到的是一个文件描述符(索引号),存放在task_struct数据结构(进程控制块)中,将task_struct结构和file结构挂钩。

 

下面通过一个例子分析:

  1. 当在应用层调用open函数打开设备文件时,将会根据路径名可以找到该设备文件对应的目录项,再从目录项中找到索引节点指针指向的struct inode结构体,通过其中描述的信息可以知道接下来要操作的设备类型(字符设备还是块设备),还会分配一个struct file结构体

  2. 根据struct inode结构体里面记录的设备号,可以找到对应的驱动函数,也就是驱动层file_operation结构体中的open,read,write等。
  3. 任务完成,VFS会给应用返回一个文件描述符(fd)。这个fd是和struct file结构体对应的,通过fd可以将进程的task_struct数据结构和file结构挂钩起来。接下来上层应用程序就可以通过fd找到对应的struct file,从而找到对应的驱动函数。

接着上面的流程:

对打开的设备文件通过fd作参进行write函数调用,通过系统调用陷入内核,执行对应的sys_write()底层函数,并根据传入的文件描述符fd作为下标,在task_struct结构体中找到对应files指针指向的file_struct结构体数组对应的数组项。

该数组项指向一个file结构体,里面存放了目录项的指针,还有file_operation的指针。之后根据指针,找到该文件对应的file_opration中的操作函数,和目录项指向的该设备文件的inode结构体。inode结构体表示为设备文件时候里面存放了关于该设备的主设备号,次设备号,设备类型等等,当inode用于表示一般文件的时候,里面存放了文件中字符流到盘块号的映射关系,根据inode找到盘块号,构造bio请求,优化合并,放入电梯队列,根据盘块号算出磁盘的CHS,最终操作物理地址,从磁盘写入/读出数据;

 

文件描述符、文件描述符表、目录项、索引节点之间的总结联系

                         Linux文件系统逻辑结构图


更详细的分析可以看下文:转自:https://blog.****.net/yr12Dong/article/details/79480509

文件描述符、文件描述符表、打开文件表、目录项、索引节点之间的联系如下图所示:

文件描述符、文件描述符表、目录项、索引节点之间的总结联系

每个进程在PCB(Process Control Block)中都保存着一份文件描述符表,文件描述符就是这个表的索引,每个表项都有一个指向已打开文件的指针,已打开的文件在内核中用file结构体表示,文件描述符表中的指针指向file结构体。

    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)。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结构体,其中的各种文件操作函数由该设备的驱动程序实现。

    每个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。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。(原理有点类似于多级页表)

    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(文件目录项)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这几个结构体组成了VFS的核心概念。对于ext2文件系统来说,在磁盘存储布局上也有inode和超级块的概念,所以很容易和VFS中的概念建立对应关系。