Linux打开一个文件并读取内容的详细流程【inode结构体、fd文件描述符、`struct file`结构体、一个打开普通文件和一个打开设备文件的详细流程分析】

原创已于 2025-01-12 12:02:08 修改 · 1k 阅读

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#linux #文件操作

于 2025-01-04 18:09:38 首次发布

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inode结构体

inode结构体概述

Linux打开一个文件中的核心点是inode结构体，所以我们就从inode结构体开始讲这个问题。

inode应该来源于“index node”的缩写，所以发音为 [aɪ noʊd]

在Linux系统中，一个文件通常对应一个inode(索引节点)，特殊情况下可能有多个文件名与一个inode对应，或者一个文件涉及多个inode，特殊情况我们不作考虑，在这里，我们只需要知道，在Linux系统中，一个文件通常对应一个inode。

inode（索引节点）是文件系统中的数据结构，存储文件的元信息（例如文件大小、权限、所有者、时间戳等），但不包含文件名。

每个文件在文件系统中都会分配一个唯一的inode。

具体来说，inode 在 Linux 内核中是一个结构体，定义在内核的源代码中，具体在头文件 include/linux/fs.h 中。它是文件系统的核心数据结构之一，用于表示文件的元数据。

`struct inode` 的基本结构

inode 结构体的定义包含许多字段，负责描述文件的各种属性和操作。例如：

struct inode {
    umode_t          i_mode;       /* 文件类型和权限 */
    unsigned short   i_opflags;    /* 操作相关标志 */
    kuid_t           i_uid;        /* 文件所有者的用户ID */
    kgid_t           i_gid;        /* 文件所有者的组ID */
    unsigned int     i_flags;      /* 文件标志 */

    const struct inode_operations *i_op; /* 文件操作方法 */
    struct super_block *i_sb;      /* 所属超级块 */
    struct address_space *i_mapping; /* 地址空间 */

    loff_t           i_size;       /* 文件大小 */
    struct timespec64 i_atime;     /* 最后访问时间 */
    struct timespec64 i_mtime;     /* 最后修改时间 */
    struct timespec64 i_ctime;     /* 状态更改时间 */

    unsigned int     i_nlink;      /* 硬链接计数 */
    ino_t            i_ino;        /* inode编号 */
    dev_t            i_rdev;       /* 主设备号和次设备号（如果是设备文件） */

	const struct file_operations *i_fop; /* 文件操作结构体,存储着诸如open,read,write等函数 */

    /* ...更多字段，用于缓存、锁、权限检查等... */
};

关键字段说明

i_mode：
- 保存文件的类型（如普通文件、目录、设备文件）和权限信息。
- 通过掩码可以检查文件类型，例如 S_ISREG 检查是否是普通文件。
i_uid 和 i_gid：
- 文件的所有者用户ID和组ID。
i_size：
- 文件的大小（以字节为单位）。
i_atime / i_mtime / i_ctime：
- 分别表示最后访问时间、最后修改时间和元数据更改时间。
i_nlink：
- 硬链接计数，指向同一个inode的目录项数量。当计数降为0时，文件数据会被释放。
i_op：
- 指向一个 inode_operations 结构体，用于定义文件系统对该inode支持的操作（例如创建、删除）。
i_mapping：
- 表示文件的地址空间，通常用来管理文件数据的缓存。
i_ino：
- inode编号，文件系统中每个文件的唯一标识。
i_rdev：
- 里面存储着主设备号和次设备号信息。
i_fop：
- 文件操作结构体，它实际上就是链接着文件操作结构体，比如驱动程序中的文件操作结构体，里面定义着文件的底层打开函数、读函数、写函数等。

inode 的核心作用

存储元信息：
- 保存文件的基本属性，比如权限、大小、时间戳等。
连接文件数据：
- inode 不直接保存文件数据，而是通过其他结构体（如块地址映射表）指向数据块。
支持文件操作：
- 内核通过 struct inode 来调度文件系统操作。

小结：

inode 是 Linux 文件系统中用于描述文件的核心结构体，它包含了文件的所有元信息以及与文件数据的关联。虽然用户空间程序看不到 inode 结构体的细节，但文件系统操作（如open、read）背后都依赖于它。

当我们获得了文件的inode后，就可以借由inode来进一步获取文件中的信息。

文件描述符(fd)及与文件描述符直接关联的结构体`struct file`

文件描述符(fd)

如果我们要访问一个文件的内容，通常的流程是这样的：
文件系统首先通过文件路径和文件名在目录中查找对应的inode，并根据inode中的元信息定位文件的存储位置。
接着，文件系统打开文件并返回一个文件描述符(通常用fd表示)，文件描述符是进程内的一个整数标识符，在这个进程中可以用来进一步访问文件内容，而不用每次都再去打开文件。

请注意文件描述符只是进程内的一个整数标识，它对应的文件信息其实是存储在结构体struct file中的，所以我们需要详细了解下结构体struct file。

结构体`struct file`

在 Linux 内核中，打开文件时会涉及到另一个重要的结构体 struct file，它与 struct inode 一起协同工作，负责文件的实际操作和管理。

`struct file` 的作用

struct file 表示一个已打开的文件，即文件打开后的状态。
它与用户空间的文件描述符（file descriptor）直接关联。
每次调用 open 系统调用时，内核会为该文件创建一个新的 struct file 实例，用来管理这个打开的文件。

`struct file` 和 `struct inode` 的区别

`struct inode`	`struct file`
表示文件在文件系统中的元信息和属性	表示一个已打开的文件实例（与进程相关）
一个文件在文件系统中只有一个 `inode`	每次打开文件会创建一个新的 `struct file`
包含文件权限、大小、时间戳等信息	包含文件的当前偏移量、模式、操作等信息
共享于多个文件描述符（通过硬链接等）	文件描述符对应唯一的 `struct file` 实例

`struct file` 的关键字段

struct file 定义在内核头文件 include/linux/fs.h 中，主要字段包括：

struct file {
    const struct file_operations *f_op;   /* 文件操作方法 */
    struct inode        *f_inode;        /* 指向对应的 inode */
    void                *private_data;   /* 私有数据（通常是驱动使用） */
    loff_t              f_pos;           /* 文件的当前偏移量 */
    unsigned int        f_flags;         /* 打开文件的标志（如读写模式） */
    struct path         f_path;          /* 文件路径信息 */
    atomic_long_t       f_count;         /* 引用计数 */
    /* 其他字段省略 */
};

主要字段解释：

f_op:
- 指向 struct file_operations，定义了文件支持的操作（如 read、write、ioctl 等）。
- 不同的文件类型（如普通文件、设备文件）会提供不同的操作实现。
f_inode:
- 指向文件对应的 struct inode，通过它可以访问文件的元信息。
f_pos:
- 文件的当前读写位置（偏移量）。
f_flags:
- 打开文件时的标志（如 O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR）。
private_data:
- 文件的私有数据，常用于驱动程序中存储设备相关信息。
f_path:
- 表示文件的路径信息（包括文件的 dentry 和 vfsmount）。

打开文件的核心流程

当调用 open 系统调用时，内核的处理流程如下：

路径解析：
- 根据文件路径解析到 inode，找到对应的 struct inode。
创建 struct file：
- 为每个打开的文件分配一个新的 struct file，并初始化其字段。
- struct file 的 f_inode 字段会指向文件的 inode。
文件描述符与 struct file 的关联：
- 将 struct file 注册到当前进程的文件表中，并分配一个文件描述符（整数值）。
- 文件描述符用于用户空间访问，而 struct file 是内核的实际表示。

`struct file` 在文件操作中的作用

struct file 主要用于管理打开文件的状态和操作。例如：

读写操作：
- 当调用 read(fd) 或 write(fd) 时，内核会根据文件描述符找到对应的 struct file，并调用其 f_op 字段中定义的操作函数。
偏移量管理：
- f_pos 保存了文件的当前偏移量，支持顺序读写操作。

小结

在 Linux 内核中：

struct inode 是文件的静态表示，存储文件的元信息。
struct file 是打开文件的动态表示，描述了文件打开后的状态（如偏移量、模式等）。
两者协作完成文件系统的读写和管理操作。每次打开文件，都会生成一个新的 struct file，但它们可能共享同一个 struct inode（例如通过硬链接）。

访问一个文件的内容,通常的流程

流程概述

当调用系统函数 open 打开一个文件时，内核的处理流程如下：

路径解析：
- 根据文件路径解析到 inode，找到对应的 struct inode。
创建 struct file：
- 为每个打开的文件分配一个新的 struct file，并初始化其字段。
- struct file 的 f_inode 字段会指向文件的 inode。
文件描述符与 struct file 的关联：
- 将 struct file 注册到当前进程的文件表中，并分配一个文件描述符（整数值）。
- 文件描述符用于用户空间访问，而 struct file 是内核的实际表示。

调用系统函数 open 打开一个文件后，最终返回了文件描述符，文件描述符是进程内的一个整数标识符，它与一个结构体 struct file 相关联，里面存储着文件及对文件操作的各种上下文信息，从而，在这个进程后续的操作中，可以用文件描述符内进一步访问文件内容或向文件写内容。

一个打开并操作普通文件的例子

一个操作普通文件的例子如下：

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

int main() {
    int fd = open("/home/user/file.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buffer[1024];
    ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (bytesRead > 0) {
        buffer[bytesRead] = '\0';
        printf("File content: %s\n", buffer);
    } else {
        perror("read");
    }

    close(fd);
    return 0;
}

在上面的例子中，通过文件路径/home/user/file.txt找到文件file.txt对应的inode，找到文件file.txt的inode后，我们就知道了文件file.txt的存储位置，如果inode中的信息显示这个文件有可以打开权限，那么系统的open()函数便能打开它，并且返回属于这个进程的文件描述fd，相关代码如下：

    int fd = open("/home/user/file.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

借由这个文件描述符，那么在该进程内我们需要再次操作这个文件时，便不需要再去打开操作了。
比如上面的示例中，代码：

 ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);

便是进程内借由文件描述符fd去读取文件内容。之所以要少读一个，原因见 https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/144671071

写文件的流程这里就再叙述了，理解了inode和文件描述符的概念后，再配合一个读的示例，这个问题基本就搞清了。

一个打开驱动程序的设备文件的例子

假设驱动程序的文件操作结构体file_operations如下定义：

static struct file_operations hello_drv_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = hello_drv_open,
    .release = hello_drv_close,
};

设备底层打开函数hello_drv_open的代码如下：

static int hello_drv_open(struct inode *node, struct file *file)
{
    dev_t dev = node->i_rdev;
    int major = MAJOR(dev);
    int minor = MINOR(dev);

    printk("Opening device: major=%d, minor=%d\n", major, minor);

    // 为每次打开操作分配私有数据
    file->private_data = kmalloc(sizeof(int), GFP_KERNEL);
    if (!file->private_data) {
        printk("Failed to allocate memory for private data\n");
        return -ENOMEM;
    }
    *(int *)file->private_data = 42; // 示例数据

    return 0;
}

这个函数的两个参数便使用到了结构体inode和结构体file，
当系统函数open尝度打开设备文件/dev/hello时，即下面的代码：

    // 打开设备文件
    fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open device");
        return errno;
    }

系统会根据设备文件路径/dev/hello找到文件的inode实例，然后准备利用inode结构体打开文件。
打开文件前首先会为准备找开的文件分配一个 struct file实例，这个结构体在上文中已经讲清楚了，这里不再多述。
然后正式开始打开文件，打开文件时找到inode结构体的成员i_fop，其定义如下：

const struct file_operations *i_fop; /* 文件操作结构体,存储着诸如open,read,write等函数 */

它实际上指向着我们在驱动程序中定义的设备结构体，代码如下：

static struct file_operations hello_drv_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = hello_drv_open,
    .release = hello_drv_close,
};

这个结构体成员中便存储着设备底层的打开函数，然后通过它获得设备的底层打开函数，在这里就是函数hello_drv_open()，并且把系统自动生成的结构体struct inode 和结构体 struct file的实例作为参数传递给函数hello_drv_open()，函数hello_drv_open()最终利用这两个参数完成设备文件的打开操作，当然，函数hello_drv_open()的函数其实并不一定非得用到这两个参数，不用也可以，只是系统的open()函数会把这两个参数传递给设备结构体hello_drv_fops 中的打开函数hello_drv_open()。在我们这里给出的例子中，用到了这两个参数，我们利用参数struct inode *node打印出了设备号，利用参数struct file *file记录了一些私有数据，这些数据可以根据我们的需要用作不同的用途。

如果一切正常，系统的open()函数会为此次设备文件的打开分配一个文件描述符(fd)，并将文件描述符(fd)的值记录到结构体 struct file的实例中。在进程的后续操作中，便可利用这个文件文件描述符(fd)对文件进行一系列操作。