操作系统内核中文件相关的数据结构

Unix系统中,一切(磁盘文件、网络I/O、硬件设备...)都是文件,所以文件非常重要。
这篇博客讲述内核中表示一个打开文件的3种数据结构,然后简单分析了两个独立进程
同时打开一个文件的情况

一 线程文件表(process table)

进程文件表是内核表示打开文件的第一个数据结构,每个线程都有一个自动的线程文件表,
结构如下:

      +------------------------+
fd 0: |fd flags | file pointer |
fd 1: |fd flags | file pointer |
...   | ....                   |
      +------------------------+

线程内每个打开的文件都对应上表的一条记录,一条记录包含两个字段

  • fd flags 文件描述符的flag,目前只有一种文件描述符flag,即FD_CLOEXE(如果FD_CLOEXE
    被设置了,那么一次成功的execve后自动关闭)
  • file pointer 指向全局文件表的一条记录,全局文件表是内核表示打开文件的第二个数
    据结构。

二 全局文件表(file table)

内核有一个全局文件表,它包含了系统打开的所有文件,每个文件对应全局文件表内的一条
记录,结构如下:

+--------------------------------------------------------+
|file status flag | current file offset | v-node pointer |
| ...             | ....                | ...            |
+--------------------------------------------------------+
  • file status flag:文件状态falg,比如read、write、append、sync等
  • current file offset:当前读取文件的偏移量
  • v-node pointera:指向v-node的指针,见后文

三 v-node表

+-----------------------------------------+
| v-node information | v_data             |
| ...                | ...                |
+-----------------------------------------+

系统内每个打开的文件都对应的v-node表的一条记录,v-node存储的信息跟文件物理信息
有关,比如文件的类型和操作这个文件的函数。对大多数的文件来说,v-node表中还存储了
文件的i-node信息,i-node信息直接从磁盘中得到,比如文件的大小,文件在磁盘上的
真正位置信息等

两个进程打开同一个文件

两个进程同时打开一个文件时:

  1. 每个线程都有独立的线程文件表,每个线程文件表里都有一条记录
  2. 全局文件表里有两条记录,分别对应两个进程的文件
  3. 因为两个线程打开的是同一个物理文件,全局文件表里的两条记录指向同一个v-node
    简化图形如下:
Process 1
      +---+
fd 0: |   |              全局文件表
fd 1: |   |            +---------+                  v-node表
fd 2: |   |            |         |                  +--------+
fd 3: |   |----------->|         | ----             |        |
...   |...|            |         |     \            |        |
      +----+           |         |      \           |        |
                       |         |       \--------->|        |
                       |         |       |          |        |
Process 2              |         |       |          |        |
      +---+            |         |       |          |        |
fd 0: |   |            |         |       |          |        |
fd 1: |   |            |         |      /           |        |
fd 2: |   |            |         |     /            |        |
fd 3: |   |            |         |    /             +--------+
fd 4: |   |----------->|         |----
...   |...|            |         |
      +---+            +---------+

  1. 全局进程表中每个进程都独立的记录,这样每个进程可以有独立的文件状态flag和当前文
    件读取位移
  2. 因为是同一个文件,所以共用了同一个v-node,当两个进程同时写入这个文件时,就会
    发生写入冲突,无法预料最终的写入效果
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