Linux内核之系统调用

关于系统调用，我们必须清楚linux内存分为用户空间和内核空间，当我们进行程序应用时用的是用户空间，当我们要打开文件和设备的时候就会使用系统调用来访问内核空间，这时候相当中断一样，我们进入内核空间，当 处理完以后才回到用户空间。

以下分析个例子关于open的系统调用

int fd = open("abc.txt",O_CREAT);

if(fd != NULL)

{

    printf("file open:fd\n",fd);

}

close(fd);

这时候，当我们使用open系统调用的时候，就会进入内核空间，访问结构体task_struct,而task_struct里面有一个files_struct，

files_struct
{
  atomic_t count;// count为文件表files_struct的引用计数

  fd[1024];

}

此时返回出来是一个fd[3]

而我们输出的结果正是file open: 3

总的来说，当我们使用系统调用的时候，它会去找task结构体，然后找到我们的file结构体，然后再返回出来fd。

下面来源： https://www.cnblogs.com/zengyiwen/p/5755186.html

每个文件都有一个32位的数字来表示下一个读写的字节位置，这个数字叫做文件位置。每次打开一个文件，除非明确要求，否则文件位置都被置为0，即文件的开始处，此后的读或写操作都将从文件的开始处执行，但你可以通过执行系统调用LSEEK（随机存储）对这个文件位置进行修改。Linux中专门用了一个数据 结构file来保存打开文件的文件位置，这个结构称为打开的文件描述（open file description）。这个数据结构的设置是煞费苦心的，因为它与进程的联系非常紧密，可以说这是VFS中一个比较难于理解的数据结构，file结构中主要保存了文件位置，此外，还把指向该文件索引节点的指针也放在其中。file结构形成一个双链表，称为系统打开文件表，其最大长度是NR_FILE，在fs.h中定义为8192。

1. struct file 
2. {
3.  
4. struct list_head f_list; /*所有打开的文件形成一个链表*/
5.  
6. struct dentry *f_dentry; /*指向相关目录项的指针*/
7.  
8. struct vfsmount *f_vfsmnt; /*指向VFS安装点的指针*/
9.  
10. struct file_operations *f_op; /*指向文件操作表的指针*/
11.  
12. mode_t f_mode; /*文件的打开模式*/
13.  
14. loff_t f_pos; /*文件的当前位置*/
15.  
16. unsigned short f_flags; /*打开文件时所指定的标志*/
17.  
18. unsigned short f_count; /*使用该结构的进程数*/
19.  
20. unsigned long f_reada, f_ramax, f_raend, f_ralen, f_rawin;
21.  
22. /*预读标志、要预读的最多页面数、上次预读后的文件指针、预读的字节数以及预读的页面数*/
23.  
24. int f_owner; /* 通过信号进行异步I/O数据的传送*/
25.  
26. unsigned int f_uid, f_gid; /*用户的UID和GID*/
27.  
28. int f_error; /*网络写操作的错误码*/
29.  
30.  
31.  
32. unsigned long f_version; /*版本号*/
33.  
34. void *private_data; /* tty驱动程序所需 */
35.  
36. };

内核中，对应于每个进程都有一个文件描述符表，表示这个进程打开的所有文件。文件描述表中每一项都是一个指针，指向一个用于 描述打开的文件的数据块———file对象，file对象中描述了文件的打开模式，读写位置等重要信息，当进程打开一个文件时，内核就会创建一个新的 file对象。需要注意的是，file对象不是专属于某个进程的，不同进程的文件描述符表中的指针可以指向相同的file对象，从而共享这个打开的文件。 file对象有引用计数，记录了引用这个对象的文件描述符个数，只有当引用计数为0时，内核才销毁file对象，因此某个进程关闭文件，不影响与之共享同 一个file对象的进程.

file对象中包含一个指针，指向dentry对象。dentry对象代表一个独立的文件路径，如果一个文件路径被打开多次，那么会建立多个file对象，但它们都指向同一个dentry对象。

 

dentry对象中又包含一个指向inode对象的指针。inode对象代表一个独立文件。因为存在硬链接与符号链接，因此不同的dentry 对象可以指向相同的inode对象.inode 对象包含了最终对文件进行操作所需的所有信息，如文件系统类型、文件的操作方法、文件的权限、访问日期等。

 

打开文件后，进程得到的文件描述符实质上就是文件描述符表的下标，内核根据这个下标值去访问相应的文件对象，从而实现对文件的操作。

 

注意，同一个进程多次打开同一个文件时，内核会创建多个file对象。

当进程使用fork系统调用创建一个子进程后，子进程将继承父进程的文件描述符表，因此在父进程中打开的文件可以在子进程中用同一个描述符访问。

---------------------------------------------------------------open解析---------------------------------------------------

1. int open(const char *pathname, int flags);
2. int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

前一个是glibc封装的函数，后一个是系统调用

open源码追踪:

1. long do_sys_open(int dfd, const char __user *filename, int flags, int mode)
2. {
3. struct open_flags op;
4. /* flags为用户层传递的参数, 内核会对flags进行合法性检查, 并根据mode生成新的flags值赋给 lookup */
5. int lookup = build_open_flags(flags, mode, &op);
6. /* 将用户空间的文件名参数复制到内核空间 */
7. char *tmp = getname(filename);
8. int fd = PTR_ERR(tmp);
9. if (!IS_ERR(tmp)) {
10. /* 未出错则申请 新的文件描述符 */
11. fd = get_unused_fd_flags(flags);
12. if (fd >= 0) { /* 申请新的文件管理结构file */
13. struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, &op, lookup);
14. if (IS_ERR(f)) {
15. put_unused_fd(fd);
16. fd = PTR_ERR(f);
17. } else {
18. /* 产生文件打开的通知事件 */
19. fsnotify_open(f);
20. /* 将文件描述符fd与文件管理结构file对应起来, 即安装 */
21. fd_install(fd, f);
22. }
23. }
24. putname(tmp);
25. }
26. return fd;
27. }

从上面来看，打开文件，内核消耗了2种资源：文件描述符跟内核管理文件结构file

 

根据POSIX标准，当获取一个新的文件描述符时，要返回最低的未使用的文件描述符。Linux是如何实现这一标准的呢？

在Linux中，通过do_sys_open->get_unused_fd_flags->alloc_fd（0，（flags））来选择文件描述符，代码如下

1. int alloc_fd(unsigned start, unsigned flags)
2. {
3. struct files_struct *files = current->files;//获取当前进程的对应包含文件描述符表的结构
4. unsigned int fd;
5. int error;
6. struct fdtable *fdt;
7. /* files为进程的文件表, 下面需要更改文件表, 所以需要先锁文件表 */
8. spin_lock(&files->file_lock);
9. repeat:
10. /* 得到文件描述符表 */
11. fdt = files_fdtable(files);
12. /* 从start开始, 查找未用的文件描述符。在打开文件时, start为0 */
13. fd = start;
14. /* files->next_fd为上一次成功找到的fd的下一个描述符。使用next_fd, 可以快速找到未用的文件描述符；*/
15. if (fd < files->next_fd)
16. fd = files->next_fd;
17. /*
18. 当小于当前文件表支持的最大文件描述符个数时, 利用位图找到未用的文件描述符。
19. 如果大于max_fds怎么办呢?如果大于当前支持的最大文件