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  • Linux--struct file结构体

    struct file(file结构体):
      struct file结构体定义在include/linux/fs.h中定义。文件结构体代表一个打开的文件,系统中的每个打开的文件在内核空间都有一个关联的 struct file。

    它由内核在打开文件时创建,并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后,内核释放这个数据结构。在内核创建和驱动源码中,

    struct file的指针通常被命名为file或filp。其有两个非常重要的字段:文件描述符和缓冲区。

     文件描述符fd:

      fd只是一个小整数,在open时产生。起到一个索引的作用,进程通过PCB中的文件描述符表找到该fd所指向的文件指针filp。

    文件描述符的操作(如: open)返回的是一个文件描述符,内核会在每个进程空间中维护一个文件描述符表, 所有打开的文件都将通过此表中的文件描述符来引用; 
    而流(如: fopen)返回的是一个FILE结构指针, FILE结构是包含有文件描述符的,FILE结构函数可以看作是对fd直接操作的系统调用的封装, 它的优点是带有I/O

    缓存。

      每个进程在PCB(Process Control Block)即进程控制块中都保存着一份文件描述符表,文件描述符就是这个表的索引,文件描述表中每个表项都有一个指

    向已打开文件的指针,现在我们明确一下:已打开的文件在内核中用file结构体表示,文件描述符表中的指针指向file结构体。

    缓冲区:

    A)缓冲区机制

    根据应用程序对文件的访问方式,即是否存在缓冲区,对文件的访问可以分为带缓冲区的操作和非缓冲区的文件操作:

      a) 带缓冲区文件操作:高级标准文件I/O操作,将会在用户空间中自动为正在使用的文件开辟内存缓冲区。

      b) 非缓冲区文件操作:低级文件I/O操作,读写文件时,不会开辟对文件操作的缓冲区,直接通过系统调用对磁盘进行操作(读、写等),当然用于可以在自己

    的程序中为每个文件设定缓冲区。

    两种文件操作的解释和比较:

      1、非缓冲的文件操作访问方式,每次对文件进行一次读写操作时,都需要使用读写系统调用来处理此操作,即需要执行一次系统调用,执行一次系统调用将涉

    及到CPU状态的切换,即从用户空间切换到内核空间,实现进程上下文的切换,这将损耗一定的CPU时间,频繁的磁盘访问对程序的执行效率造成很大的影响。

      2、ANSI标准C库函数 是建立在底层的系统调用之上,即C函数库文件访问函数的实现中使用了低级文件I/O系统调用,ANSI标准C库中的文件处理函数为了减

    少使用系统调用的次数,提高效率,采用缓冲机制,这样,可以在磁盘文件进行操作时,可以一次从文件中读出大量的数据到缓冲区中,以后对这部分的访问就不需

    要再使用系统调用了,即需要少量的CPU状态切换,提高了效率。

    B)缓冲类型

    标准I/O提供了3种类型的缓冲区。

      1、全缓冲区:这种缓冲方式要求填满整个缓冲区后才进行I/O系统调用操作。对于磁盘文件的操作通常使用全缓冲的方式访问。第一次执行I/O操作时,ANSI标

    准的文件管理函数通过调用malloc函数获得需要使用的缓冲区,默认大小为8192。

      2、行缓冲区:在行缓冲情况下,当在输入和输出中遇到换行符时,标准I/O库函数将会执行系统调用操作。当所操作的流涉及一个终端时(例如标准输入和标准

    输出),使用行缓冲方式。因为标准I/O库每行的缓冲区长度是固定的,所以只要填满了缓冲区,即使还没有遇到换行符,也会执行I/O系统调用操作,默认行缓冲区

    的大小为1024。

      3、无缓冲区:

    无缓冲区是指标准I/O库不对字符进行缓存,直接调用系统调用。标准出错流stderr通常是不带缓冲区的,这使得出错信息能够尽快地显示出来。

    注:

      1、标准输入和标准输出设备:当且仅当不涉及交互作用设备时,标准输入流和标准输出流才是全缓冲的。

      2、标准错误输出设备:标准出错绝不会是全缓冲方式的。

      3、对于任何一个给定的流,可以调用setbuf()和setvbuf()函数更改其缓冲区类型。

    下面我们通过如下程序来进一步了解缓冲区:

     

    当打印到屏幕(标准输出):

     

    当写到文件中:

     

    那么为什么输出到屏幕只有5条输出命令而输出到文件有7条输出命令呢?

      根据输出结果我们可以看出printf和fwrite重复写了两次,没有重复打印的是write.。

      printf和fwrite都是库函数:结合已有知识,我们了解到当使用库函数命令时,打印消息并没有直接写到输出位置上,而是 先把数据写到输出缓冲区,在刷新至输

    出位置。

        1、当输出目标位置为输出到显示器时,则刷新方式是行刷新;

        2、当输出目标位置为输出到文件中时,刷新方式由行缓冲变为全缓冲,全缓冲是指当把缓冲区写满后才能刷新。(或者强制刷新)

      代码中printf和fwrite第一次打印,在fork操作之前,第二次在fork操作之后,原因是因为在fork操作前,printf和fwrite的输出命令将数据先写到缓冲区中,此时

    执行了这两条命令,由于是全缓冲的刷新方式,所以这两条命令并不足以将缓存写满,所以数据暂存在缓冲区中;然后进行fork创建子进程,由于fork创建出的父子

    进程代码共享,而数据不共享,各自私有一份,缓冲区中的数据都属于数据,因为父进程的残留数据还在缓冲区中,所以fork完毕后,父子进程将缓存中的数据各自存

    一份有父进程残留数据的数据,所以当父子进程各自刷新时,父子进程会各自执行一次printf和fwrite的输出命令,所以命令就从原来的两条变为四条。

    struct file 的其他重要成员有:.
      1.mode_t f_mode;
          文件模式确定文件是可读的或者是可写的(或者都是), 通过位 FMODE_READ 和FMODE_WRITE. 你可能想在你的 open 或者 ioctl 函数中检查这个成员的读写

    许可, 但是不需要检查读写许可, 因为内核在调用你的方法之前检查. 当文件还没有为那种存取而打开时读或写的企图被拒绝, 驱动甚至不知道这个情况.

      2.loff_t f_pos;
          当前读写位置. loff_t 在所有平台都是 64 位( 在 gcc 术语里是 long long ). 驱动可以读这个值,如果它需要知道文件中的当前位置, 但是正常地不应该改变它; 读

    和写应当使用它们作为最后参数而收到的指针来更新一个位置, 代替直接作用于 filp->f_pos. 这个规则的一个例外是在 llseek 方法中, 它的目的就是改变文件位置.

      3.unsigned int f_flags;
          这些是文件标志, 例如 O_RDONLY, O_NONBLOCK, 和 O_SYNC. 驱动应当检查O_NONBLOCK 标志来看是否是请求非阻塞操作; 其他标志很少使用. 特别地, 

    应当检查读/写许可, 使用 f_mode 而不是f_flags. 所有的标志在头文件<linux/fcntl.h> 中定义.

      4.struct file_operations *f_op;
          和文件关联的操作. 内核安排指针作为它的open 实现的一部分, 接着读取它当它需要分派任何的操作时. filp->f_op 中的值从不由内核保存为后面的引用; 这意味

    着你可改变你的文件关联的文件操作, 在你返回调用者之后新方法会起作用. 例如, 关联到主编号 1 (/dev/null, /dev/zero, 等等)的 open 代码根据打开的次编号来替

    代 filp->f_op 中的操作. 这个做法允许实现几种行为, 在同一个主编号下而不必在每个系统调用中引入开销. 替换文件操作的能力是面向对象编程的"方法重载"的内核对

    等体.

      5.void *private_data;
          open 系统调用设置这个指针为 NULL, 在为驱动调用 open 方法之前. 你可自由使用这个成员或者忽略它; 你可以使用这个成员来指向分配的数据, 但是接着你必须

    记住在内核销毁文件结构之前, 在 release 方法中释放那个内存. private_data 是一个有用的资源, 在系统调用间保留状态信息, 我们大部分例子模块都使用它.

      6.struct dentry *f_dentry;
    关联到文件的目录入口( dentry )结构. 设备驱动编写者正常地不需要关心 dentry 结构, 除了作为 filp->f_dentry->d_inode 存取 inode 结构.

     

     

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