【Linux】认识Linux内核中进程级别的文件结构体【files_struct】＆文件IO模型初步演示

原创 于 2024-10-07 19:47:52 发布 · 1.3k 阅读 · 33 ·
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#linux #数据库 #nosql

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一.区分内核文件结构体file和files_struct＆C标准库中文件结构体FILE

  • FILE结构体：是 C标准库 中定义的一个结构体，用于表示一个打开的文件流，并封装了文件操作的相关信息。
  • file结构体：它代表一个打开的文件，是Linux内核中的结构体
  • 区分： files_struct结构体：是Linux内核中定义的一个结构体，用于表示 进程级别 的文件描述符表，并记录了该进程当前打开的所有文件的信息。

如下图：进程结构体task_struct有一个文件指针指向files_struct结构体，files_struct结构体经过系统调用open后生成file结构体：
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二.文件描述符fd与进程文件描述符表fd_array

1.file_struct结构体介绍

files_struct结构体是Linux内核中定义的一个结构体，用于表示进程级别的文件描述符表。在Linux系统中，每个进程都有一个与之关联的文件描述符表，该表记录了该进程当前打开的所有文件的信息。以下是files_struct结构体的一些关键字段：

  • **fd_array[]：**这是一个指针数组，用于存储指向file结构体的指针。每个指针都指向一个打开的文件的file结构体，而文件描述符就是该指针数组的下标。
  • **文件引用计数：**files_struct结构体还包含了一些用于管理文件描述符和文件引用的计数信息。例如，每个打开的file结构体都有一个引用计数，表示有多少个文件描述符指向它。当引用计数降为零时，表示没有文件描述符再指向该文件，此时可以关闭该文件并释放相关资源。
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2.文件描述符fd与文件描述符表介绍

  • fd_array是一个 指针数组 ，用于存储指向file结构体的指针。每个指针都指向一个打开的文件的file结构体，而 文件描述符就fd是是 该指针数组的下标。
  • 注意：进程运行的时候默认把 标准输入，标准输出，标准错误 打开， 占用了fd0，1，2位 ，为了让程序员默认进行输入输出代码编写（0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器）
  • files_struct结构体中有一块区域

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绘制一个task_struct mm_struct fs_struct files_struct signal_struct关系图
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&lt;think&gt;我们使用mermaid的graph TD语法来绘制关系图。根据提供的引用内容，我们可以总结出以下关系： 1. task_struct是进程描述符，每个进程或线程都有一个task_struct。 2. mm_struct描述进程的地址空间，一个进程的所有线程共享同一个mm_struct（引用[2]提到：创建线程时，直接将主线程task_struct中的mm域直接给了被fork出来的task_struct的mm域）。 3. fs_struct包含文件系统信息，如当前工作目录和根目录。 4. files_struct包含该进程打开的文件信息。 5. signal_struct用于处理信号。 关系： - task_struct中包含指向mm_struct的指针（mm域） - task_struct中包含指向fs_struct的指针（fs域） - task_struct中包含指向files_struct的指针（files域） - task_struct中包含指向signal_struct的指针（signal域） 注意：在Linux内核中，这些结构体之间的关系是包含关系（指针）。此外，对于多线程进程，多个task_struct可能共享同一个mm_struct, fs_struct, files_struct和signal_struct。 因此，我们可以绘制如下关系图： &lt;/think&gt;根据Linux内核进程管理的相关知识，我将绘制`task_struct`与其他关键结构体的关系图。关系图使用Mermaid语法表示，清晰展示进程描述符的内部关联： ```mermaid graph TD A[task_struct] --&gt;|包含指针| B(mm_struct) A --&gt;|包含指针| C(fs_struct) A --&gt;|包含指针| D(files_struct) A --&gt;|包含指针| E(signal_struct) B --&gt;|描述| F[进程地址空间] C --&gt;|描述| G[文件系统信息] D --&gt;|描述| H[打开文件表] E --&gt;|描述| I[信号处理] style A fill:#f9f,stroke:#333 style B fill:#cff,stroke:#333 style C fill:#cfc,stroke:#333 style D fill:#fcc,stroke:#333 style E fill:#ffc,stroke:#333 ``` ### 关系解析： 1. **核心结构** `task_struct`是进程描述符（包含进程所有信息），直接包含指向其他四个结构体的指针： - `mm_struct`：进程地址空间管理（虚拟内存映射、堆栈等）[^2][^3] - `fs_struct`：文件系统信息（根目录/当前工作目录等） - `files_struct`：打开文件表（文件描述符数组） - `signal_struct`：信号处理配置（信号处理函数、阻塞信号集等） 2. **共享机制** 多线程进程中，所有线程共享同一个： - `mm_struct`（地址空间） - `fs_struct`（文件系统视图） - `files_struct`（打开文件表） - `signal_struct`（信号处理设置） 通过`clone()`创建线程时复用父线程的这些结构[^2] 3. **关键字段示例** ```c struct task_struct { struct mm_struct *mm; // 内存描述符 struct fs_struct *fs; // 文件系统信息 struct files_struct *files; // 打开文件表 struct signal_struct *signal; // 信号处理器 // ... 其他300+字段 }; ``` ### 绘制工具建议： 1. **文本绘图** 使用支持Mermaid的工具： - VS Code + Mermaid插件 - Markdown编辑器（Typora等） - 在线编辑器：mermaid.live 2. **可视化工具** - Draw.io（选择Entity Relationship模板） - PlantUML（使用composition语法） &gt; 图注说明：实线箭头表示**直接包含关系**，虚线框表示**共享结构体**的边界范围[^2]。
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