文件描述符的分配与重用

前言

本篇将结合代码，着重解析文件描述符的回收与重用。

关于文件描述符分配机制部分的介绍可以看前文。

【网络io与io多路复用（3）】 Linux与文件描述符（FD)-优快云博客

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1. 文件描述符的回收与重用

当关闭一个文件描述符（如 close(clientfd)）时，内核会将其标记为可用状态，供后续分配使用。文件描述符的重用行为取决于以下因素：

立即重用：如果关闭文件描述符后立即重新分配，内核可能会优先分配刚刚释放的文件描述符。

延迟重用：如果关闭文件描述符后等待一段时间再重新分配，内核可能会分配其他可用的文件描述符。

2. 代码演示与运行结果

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    int fd1 = open("file1.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644);
    int fd2 = open("file2.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644);
    int fd3 = open("file3.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644);

    printf("fd1=%d, fd2=%d, fd3=%d\n", fd1, fd2, fd3);

    close(fd2); // 关闭 fd2

    int fd4 = open("file4.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644);
    printf("fd4=%d\n", fd4); // 输出 fd4

    sleep(5); // 等待一段时间

    int fd5 = open("file5.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644);
    printf("fd5=%d\n", fd5); // 输出 fd5

    close(fd1);
    close(fd3);
    close(fd4);
    close(fd5);

    return 0;
}

3. 代码拆解

文件描述符的初始分配

程序首先打开三个文件，分别返回文件描述符 fd1、fd2、fd3。

由于标准输入（0）、标准输出（1）、标准错误（2）已经被占用，新打开的文件描述符从 3 开始分配。

因此，fd1=3、fd2=4、fd3=5。

int fd1 = open("file1.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644); // fd1=3
int fd2 = open("file2.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644); // fd2=4
int fd3 = open("file3.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644); // fd3=5
printf("fd1=%d, fd2=%d, fd3=%d\n", fd1, fd2, fd3);   // 输出：fd1=3, fd2=4, fd3=5

关闭文件描述符并立即重新分配

程序关闭 fd2（即文件描述符 4），释放该文件描述符。

立即打开一个新文件 file4.txt，内核会分配当前可用的最小文件描述符。

由于 4 刚刚被释放，内核会优先分配 4，因此 fd4=4。

close(fd2); // 关闭 fd2（4）
int fd4 = open("file4.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644); 
printf("fd4=%d\n", fd4); // 输出fd4

等待一段时间后重新分配

程序调用 sleep(5)，等待 5 秒。

打开一个新文件 file5.txt，内核会分配当前可用的最小文件描述符。

由于 0~5 已经被重新分配，内核会分配下一个可用的文件描述符 6，因此fd5=6。

sleep(5); // 等待 5 秒
int fd5 = open("file5.txt", O_CREAT | O_RDWR, 0644); 
printf("fd5=%d\n", fd5); // 输出fd5

文件描述符的关闭

程序关闭所有打开的文件描述符，释放资源。

close(fd1);
close(fd3);
close(fd4);
close(fd5);

4. 内核行为解释

最小可用原则：内核总是优先分配当前可用的最小文件描述符。

文件描述符的缓存与回收：内核可能会缓存最近释放的文件描述符，以便快速重用。但在某些情况下（如延迟回收），内核可能会跳过缓存的文件描述符，分配其他可用的文件描述符。

5. 总结

（1）文件描述符的分配遵循最小可用原则。

（2）关闭文件描述符后，内核可能会立即重用或延迟重用该文件描述符。

（3）这种行为体现了内核的资源管理策略，包括文件描述符的缓存、延迟回收和最小可用原则。

学习资料参考

https://github.com/0voice