這里以問答的方式來討論這個問題：

1. 文件描述符 fd 和文件指針 FILE *的關系？

文件描述符是什么？我們知道每一個進程都有一個自己的PCB(進程控制塊)，進程控制塊的結構是:

struct task_struct {

volatile long state; //說明了該進程是否可以執(zhí)行,還是可中斷等信息

unsigned long flags; //Flage 是進程號,在調用fork()時給出

int sigpending; //進程上是否有待處理的信號

mm_segment_t addr_limit; //進程地址空間,區(qū)分內核進程與普通進程在內存存放的位置不同

//0-0xBFFFFFFF for user-thead

//0-0xFFFFFFFF for kernel-thread

//調度標志,表示該進程是否需要重新調度,若非0,則當從內核態(tài)返回到用戶態(tài),會發(fā)生調度

volatile long need_resched;

int lock_depth; //鎖深度

long nice; //進程的基本時間片

//進程的調度策略,有三種,實時進程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分時進程:SCHED_OTHER

unsigned long policy;

struct mm_struct *mm; //進程內存管理信息

int processor;

//若進程不在任何CPU上運行, cpus_runnable 的值是0，否則是1 這個值在運行隊列被鎖時更新

unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;

struct list_head run_list; //指向運行隊列的指針

unsigned long sleep_time; //進程的睡眠時間

//用于將系統(tǒng)中所有的進程連成一個雙向循環(huán)鏈表, 其根是init_task

struct task_struct *next_task, *prev_task;

struct mm_struct *active_mm;

struct list_head local_pages; //指向本地頁面

unsigned int allocation_order, nr_local_pages;

struct linux_binfmt *binfmt; //進程所運行的可執(zhí)行文件的格式

int exit_code, exit_signal;

int pdeath_signal; //父進程終止是向子進程發(fā)送的信號

unsigned long personality;

//Linux可以運行由其他UNIX操作系統(tǒng)生成的符合iBCS2標準的程序

int did_exec : 1;

pid_t pid; //進程標識符,用來代表一個進程

pid_t pgrp; //進程組標識,表示進程所屬的進程組

pid_t tty_old_pgrp; //進程控制終端所在的組標識

pid_t session; //進程的會話標識

pid_t tgid;

int leader; //表示進程是否為會話主管

struct task_struct *p_opptr, *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr;

struct list_head thread_group; //線程鏈表

struct task_struct *pidhash_next; //用于將進程鏈入HASH表

struct task_struct **pidhash_pprev;

wait_queue_head_t wait_chldexit; //供wait4()使用

struct completion *vfork_done; //供vfork() 使用

unsigned long rt_priority; //實時優(yōu)先級，用它計算實時進程調度時的weight值

//it_real_value，it_real_incr用于REAL定時器，單位為jiffies, 系統(tǒng)根據(jù)it_real_value

//設置定時器的第一個終止時間. 在定時器到期時，向進程發(fā)送SIGALRM信號，同時根據(jù)

//it_real_incr重置終止時間，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定時器，單位為jiffies。

//當進程運行時，不管在何種狀態(tài)下，每個tick都使it_prof_value值減一，當減到0時，向進程發(fā)送

//信號SIGPROF，并根據(jù)it_prof_incr重置時間.

//it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定時器，單位為jiffies。當進程運行時，不管在何種

//狀態(tài)下，每個tick都使it_virt_value值減一當減到0時，向進程發(fā)送信號SIGVTALRM，根據(jù)

//it_virt_incr重置初值。

unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;

unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;

struct timer_list real_timer; //指向實時定時器的指針

struct tms times; //記錄進程消耗的時間

unsigned long start_time; //進程創(chuàng)建的時間

//記錄進程在每個CPU上所消耗的用戶態(tài)時間和核心態(tài)時間

long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];

//內存缺頁和交換信息:

//min_flt, maj_flt累計進程的次缺頁數(shù)(Copy on　Write頁和匿名頁)和主缺頁數(shù)(從映射文件或交換

//設備讀入的頁面數(shù))； nswap記錄進程累計換出的頁面數(shù)，即寫到交換設備上的頁面數(shù)。

//cmin_flt, cmaj_flt, cnswap記錄本進程為祖先的所有子孫進程的累計次缺頁數(shù)，主缺頁數(shù)和換出頁面數(shù)。

//在父進程回收終止的子進程時，父進程會將子進程的這些信息累計到自己結構的這些域中

unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;

int swappable : 1; //表示進程的虛擬地址空間是否允許換出

//進程認證信息

//uid,gid為運行該進程的用戶的用戶標識符和組標識符，通常是進程創(chuàng)建者的uid，gid

//euid，egid為有效uid,gid

//fsuid，fsgid為文件系統(tǒng)uid,gid，這兩個ID號通常與有效uid,gid相等，在檢查對于文件

//系統(tǒng)的訪問權限時使用他們。

//suid，sgid為備份uid,gid

uid_t uid, euid, suid, fsuid;

gid_t gid, egid, sgid, fsgid;

int ngroups; //記錄進程在多少個用戶組中

gid_t groups[NGROUPS]; //記錄進程所在的組

//進程的權能，分別是有效位集合，繼承位集合，允許位集合

kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;

int keep_capabilities : 1;

struct user_struct *user;

struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS]; //與進程相關的資源限制信息

unsigned short used_math; //是否使用FPU

char comm[16]; //進程正在運行的可執(zhí)行文件名

//文件系統(tǒng)信息

int link_count, total_link_count;

//NULL if no tty 進程所在的控制終端，如果不需要控制終端，則該指針為空

struct tty_struct *tty;

unsigned int locks;

//進程間通信信息

struct sem_undo *semundo; //進程在信號燈上的所有undo操作

struct sem_queue *semsleeping; //當進程因為信號燈操作而掛起時，他在該隊列中記錄等待的操作

//進程的CPU狀態(tài)，切換時，要保存到停止進程的task_struct中

struct thread_struct thread;

//文件系統(tǒng)信息

struct fs_struct *fs;

//打開文件信息

struct files_struct *files;

//信號處理函數(shù)

spinlock_t sigmask_lock;

struct signal_struct *sig; //信號處理函數(shù)

sigset_t blocked; //進程當前要阻塞的信號，每個信號對應一位

struct sigpending pending; //進程上是否有待處理的信號

unsigned long sas_ss_sp;

size_t sas_ss_size;

int(*notifier)(void *priv);

void *notifier_data;

sigset_t *notifier_mask;

u32 parent_exec_id;

u32 self_exec_id;

spinlock_t alloc_lock;

void *journal_info;

};

其中task_struct里面保存了指向該進程所有文件表struct files_struct *files的指針，看下files_struct里面哪些東西：

struct files_struct {

atomic_t count; // 引用計數(shù)(共享該file_struct的進程數(shù))

fd_set close_on_exec; // 執(zhí)行exec時候關閉改文件描述符集合

fd_set open_fds; // 文件描述符的屏蔽集合

struct file * fd[NR_OPEN]; // 文件描述符集合

spinlock_t file_lock; // 文件鎖

};

文件描述符fd就是該進程中具體某個文件信息在文件表file中的索引位置。

那文件指針FILE *是什么呢？文件指針指向進程中一個被稱為FILE的結構，它包含一個緩存區(qū)和一個文件描述符。通過文件指針訪問文件的時候，還是需要通過文件描述符來找到所指向的file結構體。也就是說通過文件句柄訪問文件的時候，還是需要通過文件描述符fd去找到文件對應的file。

2. 文件描述 fd 指向的文件表項的具體結構？

struct file * fd[NR_OPEN] 這個數(shù)組里面存放的是打開的文件，它是由內核在打開文件的時候創(chuàng)建的。在文件的所有實例都關閉后，內核釋放這個數(shù)據(jù)結構。f_count就是有多少個實例引用了這個文件。

struct file {

union {

struct list_head fu_list; //文件對象鏈表指針linux/include/linux/list.h

struct rcu_head fu_rcuhead; //RCU(Read-Copy Update)是Linux 2.6內核中新的鎖機制

} f_u;

struct path f_path; //包含dentry和mnt兩個成員，用于確定文件路徑

#define f_dentry f_path.dentry //f_path的成員之一，當前文件的dentry結構

#define f_vfsmnt f_path.mnt //表示當前文件所在文件系統(tǒng)的掛載根目錄

const struct file_operations *f_op; //與該文件相關聯(lián)的操作函數(shù)

atomic_t f_count; //文件的引用計數(shù)(有多少進程打開該文件)

unsigned int f_flags; //對應于open時指定的flag

mode_t f_mode; //讀寫模式：open的mod_t mode參數(shù)

off_t f_pos; //該文件在當前進程中的文件偏移量

struct fown_struct f_owner; //該結構的作用是通過信號進行I/O時間通知的數(shù)據(jù)。

unsigned int f_uid, f_gid; //文件所有者id，所有者組id

struct file_ra_state f_ra; //在linux/include/linux/fs.h中定義，文件預讀相關

unsigned long f_version; //記錄文件的版本號，每次使用后都自動遞增。

#ifdef CONFIG_SECURITY

void *f_security; //用來描述安全措施或者是記錄與安全有關的信息。

#endif

/* needed for tty driver, and maybe others */

void *private_data; //可以用字段指向已分配的數(shù)據(jù)

#ifdef CONFIG_EPOLL

/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */

struct list_head f_ep_links; 文件的事件輪詢等待者鏈表的頭，

spinlock_t f_ep_lock; f_ep_lock是保護f_ep_links鏈表的自旋鎖。

#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */

struct address_space *f_mapping; 文件地址空間的指針

};

3. 文件表項file和底層之間的關系？

聊這個問題需要點文件系統(tǒng)的知識。

4. preforking(預先分配進程)涉及到fd共享問題

服務端并發(fā)模型中就有一個模型是：預先生成固定數(shù)量的進程，由這些進程去處理客戶端的所有網絡請求。那就得先fork出一定數(shù)量的進程。然后每一個進程都阻塞在accept上等待來自客戶端的連接請求。但有一點：在fork出子進程的時候，監(jiān)聽的套接字listenfd已經生成了，且每一進程都共享了這個套接字，即這個文件描述符的引用計數(shù)是進程數(shù)量。當請求到達的時候每一個進程都會從睡眠中被喚醒，但其實只有一個進程能搶到連接，其他進程又將睡眠。這個問題就是我們常說的"驚群"效應。Linux內核在后來的版本上已經解決這個問題?？梢酝ㄟ^查看源碼發(fā)現(xiàn)：accept4的內核實現(xiàn)上是通過排它鎖來解決這個問題的。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux文件描述符与标识符,文件描述符fd的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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