一、文件描述符
1.1 概念
Linux 系統(tǒng)中，把一切都看做是文件，當(dāng)進(jìn)程打開現(xiàn)有文件或創(chuàng)建新文件時，內(nèi)核向進(jìn)程返回一個文件描述符，文件描述符就是內(nèi)核為了高效管理已被打開的文件所創(chuàng)建的索引，用來指向被打開的文件，所有執(zhí)行I/O操作的系統(tǒng)調(diào)用都會通過文件描述符。
1.2 文件描述符與文件、進(jìn)程的關(guān)系
我們可以通過linux的幾個基本的I/O操作函數(shù)來理解什么是文件操作符。
fd = open(pathname, flags, mode)
// 返回了該文件的fd
rlen = read(fd, buf, count)
// IO操作均需要傳入該文件的fd值
wlen = write(fd, buf, count)
status = close(fd)
每當(dāng)進(jìn)程用open（）函數(shù)打開一個文件，內(nèi)核便會返回該文件的文件操作符（一個非負(fù)的整形值），此后所有對該文件的操作，都會以返回的fd文件操作符為參數(shù)。
文件描述符可以理解為進(jìn)程文件描述表這個表的索引，或者把文件描述表看做一個數(shù)組的話，文件描述符可以看做是數(shù)組的下標(biāo)。當(dāng)需要進(jìn)行I/O操作的時候，會傳入fd作為參數(shù)，先從進(jìn)程文件描述符表查找該fd對應(yīng)的那個條目，取出對應(yīng)的那個已經(jīng)打開的文件的句柄，根據(jù)文件句柄指向，去系統(tǒng)fd表中查找到該文件指向的inode，從而定位到該文件的真正位置，從而進(jìn)行I/O操作。
- 每個文件描述符會與一個打開的文件相對應(yīng)
- 不同的文件描述符也可能指向同一個文件
- 相同的文件可以被不同的進(jìn)程打開，也可以在同一個進(jìn)程被多次打開
1.3文件描述符相關(guān)表
- 進(jìn)程級的文件描述符表
- 系統(tǒng)級的文件描述符表
- 文件系統(tǒng)的i-node表
1.3.1 進(jìn)程級的文件描述符表
linux內(nèi)核會為每一個進(jìn)程創(chuàng)建一個task_truct結(jié)構(gòu)體來維護(hù)進(jìn)程信息，稱之為進(jìn)程描述符，該結(jié)構(gòu)體中指針,指向一個名稱為file_struct的結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體即 進(jìn)程級別的文件描述表。
它的每一個條目記錄的是單個文件描述符的相關(guān)信息:
- 文件描述符控制標(biāo)志，內(nèi)核僅定義了一個，即close-on-exec
- 所打開的文件句柄的引用
1.3.2 系統(tǒng)級的文件描述符表
內(nèi)核對系統(tǒng)中所有打開的文件維護(hù)了一個描述符表，也被稱之為 【打開文件表】，表格中的每一項被稱之為 【打開文件句柄】，一個【打開文件句柄】 描述了一個打開文件的全部信息。
主要包括：
- 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）
- 打開文件時所使用的狀態(tài)標(biāo)識（即，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
1.3.3 文件系統(tǒng)的i-node表
每個文件系統(tǒng)會為存儲于其上的所有文件(包括目錄)維護(hù)一個i-node表，單個i-node包含以下信息：
- 文件類型(file type)，可以是常規(guī)文件、目錄、套接字或FIFO
- 訪問權(quán)限
- 文件鎖列表(file locks)
- 文件大小
........
i-node存儲在磁盤設(shè)備上，內(nèi)核在內(nèi)存中維護(hù)了一個副本，這里的i-node表為后者。副本除了原有信息，還包括：引用計數(shù)(從打開文件描述體)、所在設(shè)備號以及一些臨時屬性，例如文件鎖。
在進(jìn)程A中，文件描述符1和30都指向了同一個打開的文件句柄（標(biāo)號23）。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)而形成的。
進(jìn)程A的文件描述符2和進(jìn)程B的文件描述符2都指向了同一個打開的文件句柄（標(biāo)號73）。這種情形可能是在調(diào)用fork()后出現(xiàn)的（即，進(jìn)程A、B是父子進(jìn)程關(guān)系），或者當(dāng)某進(jìn)程通過UNIX域套接字將一個打開的文件描述符傳遞給另一個進(jìn)程時，也會發(fā)生。再者是不同的進(jìn)程獨自去調(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。
此外，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句柄，但這些句柄均指向i-node表的相同條目（1976），換言之，指向同一個文件。發(fā)生這種情況是因為每個進(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。
二、i-node
2.1 i-node是什么
理解inode，要從文件儲存說起。
文件儲存在硬盤上，硬盤的最小存儲單位叫做”扇區(qū)”（Sector）。每個扇區(qū)儲存512字節(jié)（相當(dāng)于0.5KB）。
操作系統(tǒng)讀取硬盤的時候，不會一個個扇區(qū)地讀取，這樣效率太低，而是一次性連續(xù)讀取多個扇區(qū)，即一次性讀取一個”塊”（block）。這種由多個扇區(qū)組成的”塊”，是文件存取的最小單位?！眽K”的大小，最常見的是4KB，即連續(xù)八個 sector組成一個 block。
文件數(shù)據(jù)都儲存在”塊”中，那么很顯然，我們還必須找到一個地方儲存文件的元信息，比如文件的創(chuàng)建者、文件的創(chuàng)建日期、文件的大小等等。這種儲存文件元信息的區(qū)域就叫做inode，中文譯名為”索引節(jié)點”。每一個文件都有對應(yīng)的inode，里面包含了與該文件有關(guān)的一些信息。
2.2 i-node中有什么
inode包含文件的元信息，具體來說有以下內(nèi)容：
- 文件的字節(jié)數(shù)
- 文件擁有者的User ID
- 文件的Group ID
- 文件的讀、寫、執(zhí)行權(quán)限
- 文件的時間戳，共有三個：ctime指inode上一次變動的時間，mtime指文件內(nèi)容上一次變動的時間，atime指文件上一次打開的時間。
- 鏈接數(shù)，即有多少文件名指向這個inode
- 文件數(shù)據(jù)block的位置
2.3 i-node的大小
inode也會消耗硬盤空間，所以硬盤格式化的時候，操作系統(tǒng)自動將硬盤分成兩個區(qū)域。一個是數(shù)據(jù)區(qū)，存放文件數(shù)據(jù)；另一個是inode區(qū)（inode table），存放inode所包含的信息。
每個inode節(jié)點的大小，一般是128字節(jié)或256字節(jié)。inode節(jié)點的總數(shù)，在格式化時就給定，一般是每1KB或每2KB就設(shè)置一個inode。假定在一塊1GB的硬盤中，每個inode節(jié)點的大小為128字節(jié)，每1KB就設(shè)置一個inode，那么inode table的大小就會達(dá)到128MB，占整塊硬盤的12.8%。
查看每個硬盤分區(qū)的inode總數(shù)和已經(jīng)使用的數(shù)量，可以使用df -i命令。
2.4 i-node的號碼
每個inode都有一個號碼，操作系統(tǒng)用inode號碼來識別不同的文件。
這里值得重復(fù)一遍，Unix/Linux系統(tǒng)內(nèi)部不使用文件名，而使用inode號碼來識別文件。對于系統(tǒng)來說，文件名只是inode號碼便于識別的別稱或者綽號。
表面上，用戶通過文件名，打開文件。實際上，系統(tǒng)內(nèi)部這個過程分成三步：首先，系統(tǒng)找到這個文件名對應(yīng)的inode號碼；其次，通過inode號碼，獲取inode信息；最后，根據(jù)inode信息，找到文件數(shù)據(jù)所在的block，讀出數(shù)據(jù)。
使用ls -i命令，可以看到文件名對應(yīng)的inode號碼。
