[深入理解文件系统之二] 文件描述符、inode和打开文件表

[深入理解文件系统之二] 文件描述符、inode和打开文件表

Unix文件系统学习笔记之二： 文件描述符、inode和打开文件表

系统盘上数据的布局文件系统无非是关于数据在磁盘上的组织以及存储空间管理的，为此，首先需要知道磁盘上数据的总体布局方式。以Unix为例，最重要的一张表如下：

Unix 进程管理中和用户文件、io 最相关的数据结构：usr 数据结构

The procstructure does not record information related to file access.  However the userstructure contains a number of important  file-access-related fields, namely:

u_cdir. The inode of the current working directory is stored here. This is

used during pathname resolution when a user specifies a relative

pathname.

u_uid/u_gid. The process user ID and group ID used for permissions

checking for file-access-based system calls. Similarly, u_euidand

u_egidhold the effective user and group IDs.

u_ofile. This array holds the process file descriptors. This is described in

more detail later.

u_arg. An array of system call arguments set up during the transition

from user to kernel mode when invoking a system call.

u_base. This field holds the address of a user space buffer in which to read

data from or write data to when processing a system call such as read()

orwrite().

u_count. The number of bytes to read or write is held here. It is

decremented during the I/O operation and the result can be passed back

to the user.

u_offset. This field records the offset within the file for the current read

or write operation.

u_error. When processing a system call, this field is set if an error is

encountered. The value of u_erroris then passed back to the user

when the system call returns.

ＩＮＯＤＥ为了深入理解文件inode、打开文件表、描述符三者之间的关系，首先就需要了解indoe。

深刻理解inode就是在理解meta-data，inode是文件系统中最重要的meta data, 它的主要数据结构如下

（注意，它的原始数据存储在非易失性的器件上，文件系统启动之后，访问到的或者经常访问的inode被读到内存里面，这一部分被称为inode in-core。)

Each file in the filesystem was represented by a unique inode that contained fields such as:

i_mode. This field specifies whether the file is a directory (IFDIR), a block

special file (IFBLK), or a character special file (IFCHR). Note that if one

of the above modes was not set, the file was assumed to be a regular file.

This would later be replaced by an explicit flag, IFREG.

i_nlink. This field recorded the number of hard links to the file. When

this field reaches zero, the inode is freed.

i_uid. The file’s user ID.

i_gid. The file’s group ID.

i_size. The file size in bytes.

i_addr. This field holds block addresses on disk where the file’s data blocks are held.

i_mtime. The time the file was last modified.

关于inode的操作，需要考虑以下方面：

Inode in core/memory

a.何时从磁盘读入到内存： 打开的时候需要读入inode;

b.何时从内存写入到磁盘：如果对inode有任何更新，比如新申请了块、释放了块

c.何时可以写入到磁盘： 文件已经关闭，并且没有任何进程打开了inode对应的文件

d.哪些inode需要缓存：DNLC (directory name lookup cache for vnode)

打开文件表

由此自然引出一个问题，如何表示进程打开的一个文件，或者说操作系统如何记录一个打开的文件呢？如果你去设计，你会怎么做？

a.它必然包含inode的部分信息（或者全部）

b.它必然包含运行时的信息（读写指针的偏移，读写buffer的位置，以及它所对应的inode指针?

当然还必须包含引用计数、打开的方式flag)

在unix系统中，正是这样实现的， 下面就是unix用来记录一个打开文件的信息：

上述数据结构file_structure (内存中的就用来在unix中记录进程打开的一个文件的，而如果程序打开了多

个文件，就需要一个file_structure数组。而这恰恰是恰恰是理解文件描述符的关键，文件描述符就是前进程打开的文件列表的索引(index)。

下面这张图前面展示了 文件描述符、打开文件列表和inode的关系：

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