Linux常见文件结构体

1.1 struct file

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。如下所示：

struct file {

        union {

             struct list_head fu_list; 文件对象链表指针linux/include/linux/list.h

             struct rcu_head fu_rcuhead; RCU(Read-Copy Update)是Linux 2.6内核中新的锁机制

        } f_u;

        struct path f_path;  包含dentry和mnt两个成员，用于确定文件路径

        #define f_dentry  f_path.dentry  f_path的成员之一，当前文件的dentry结构

        #define f_vfsmnt  f_path.mnt  表示当前文件所在文件系统的挂载根目录

        const struct file_operations *f_op; 与该文件相关联的操作函数

        atomic_t  f_count; 文件的引用计数（有多少进程打开该文件）

        unsigned int  f_flags;  对应于open时指定的flag

        mode_t  f_mode; 读写模式：open的mod_t mode参数

        off_t  f_pos; 该文件在当前进程中的文件偏移量

        struct fown_struct f_owner; 该结构的作用是通过信号进行I/O时间通知的数据。

        unsigned int  f_uid, f_gid; 文件所有者id，所有者组id

        struct file_ra_state f_ra;  在linux/include/linux/fs.h中定义，文件预读相关

        unsigned long f_version;

        #ifdef CONFIG_SECURITY

             void  *f_security;

        #endif

        /* needed for tty driver, and maybe others */

        void *private_data;

        #ifdef CONFIG_EPOLL

        /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */

        struct list_head f_ep_links;

        spinlock_t f_ep_lock;

       #endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */

       struct address_space *f_mapping;

};

1.2 struct dentry

dentry的中文名称是目录项，是Linux文件系统中某个索引节点(inode)的链接。这个索引节点可以是文件，也可以是目录。 inode（可理解为ext2 inode）对应于物理磁盘上的具体对象，dentry是一个内存实体，其中的d_inode成员指向对应的inode。也就是说，一个inode可以在运行的时候链接多个dentry，而d_count记录了这个链接的数量。

struct dentry { 
        atomic_t d_count;  目录项对象使用计数器,可以有未使用态,使用态和负状态                                            
        unsigned int d_flags;    目录项标志 
        struct inode * d_inode;   与文件名关联的索引节点
        struct dentry * d_parent;    父目录的目录项对象
        struct list_head d_hash;    散列表表项的指针
        struct list_head d_lru;   未使用链表的指针
        struct list_head d_child;    父目录中目录项对象的链表的指针
        struct list_head d_subdirs;   对目录而言，表示子目录目录项对象的链表
        struct list_head d_alias;    相关索引节点（别名）的链表
        int d_mounted;     对于安装点而言，表示被安装文件系统根项
        struct qstr d_name;    文件名
        unsigned long d_time;     /* used by d_revalidate */
        struct dentry_operations *d_op;      目录项方法
        struct super_block * d_sb;      文件的超级块对象
        vunsigned long d_vfs_flags;
        void * d_fsdata;      与文件系统相关的数据
        unsigned char d_iname [DNAME_INLINE_LEN];      存放短文件名

};

1.3 struct files_struct

对于每个进程，包含一个files_struct结构，用来记录文件描述符的使用情况，定义在include/linux/file.h中

struct files_struct

{

        atomic_t count;     使用该表的进程数

        struct fdtable *fdt;

        struct fdtable fdtab;

        spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;

        int next_fd;         数值最小的最近关闭文件的文件描述符,下一个可用的文件描述符

        struct embedded_fd_set close_on_exec_init;    执行exec时需要关闭的文件描述符初值集合

        struct embedded_fd_set open_fds_init;     文件描述符的屏蔽字初值集合

        struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];      默认打开的fd队列

};

struct fdtable {

        unsigned int max_fds;

        struct file ** fd;    指向打开的文件描述符列表的指针，开始的时候指向fd_array，

                                   当超过max_fds时，重新分配地址

        fd_set *close_on_exec; 执行exec需要关闭的文件描述符位图（fork，exec即不被子进程继承的文件

                                            描述符）

        fd_set *open_fds; 打开的文件描述符位图

        struct rcu_head rcu;

        struct fdtable *next;

};

1.4 struct  fs_struct

struct fs_struct {

atomic_t count; 计数器

rwlock_t lock; 读写锁

int umask;

struct dentry * root, * pwd, * altroot;根目录（"/"），当前目录以及替换根目录

struct vfsmount * rootmnt, * pwdmnt, * altrootmnt;

};

1.5 struct inode

索引节点对象由inode结构体表示，定义文件在linux/fs.h中。

struct inode {
        struct hlist_node       i_hash; 哈希表
        struct list_head        i_list;   索引节点链表
        struct list_head        i_dentry; 目录项链表
        unsigned long           i_ino;  节点号
        atomic_t                i_count; 引用记数
        umode_t                 i_mode; 访问权限控制
        unsigned int            i_nlink; 硬链接数
        uid_t                   i_uid;  使用者id
        gid_t                   i_gid;  使用者id组
        kdev_t                  i_rdev; 实设备标识符
        loff_t                  i_size;  以字节为单位的文件大小
        struct timespec         i_atime; 最后访问时间
        struct timespec         i_mtime; 最后修改(modify)时间
        struct timespec         i_ctime; 最后改变(change)时间
        unsigned int            i_blkbits; 以位为单位的块大小
        unsigned long           i_blksize; 以字节为单位的块大小
        unsigned long           i_version; 版本号
        unsigned long           i_blocks; 文件的块数
        unsigned short          i_bytes; 使用的字节数
        spinlock_t              i_lock; 自旋锁
        struct rw_semaphore     i_alloc_sem; 索引节点信号量
        struct inode_operations *i_op; 索引节点操作表
        struct file_operations  *i_fop; 默认的索引节点操作
        struct super_block      *i_sb; 相关的超级块
        struct file_lock        *i_flock; 文件锁链表
        struct address_space    *i_mapping; 相关的地址映射
        struct address_space    i_data; 设备地址映射
        struct dquot            *i_dquot[MAXQUOTAS];节点的磁盘限额
        struct list_head        i_devices; 块设备链表
        struct pipe_inode_info  *i_pipe; 管道信息
        struct block_device     *i_bdev; 块设备驱动
        unsigned long           i_dnotify_mask;目录通知掩码
        struct dnotify_struct   *i_dnotify; 目录通知
        unsigned long           i_state; 状态标志
        unsigned long           dirtied_when;首次修改时间
        unsigned int            i_flags; 文件系统标志
        unsigned char           i_sock; 套接字
        atomic_t                i_writecount; 写者记数
        void                    *i_security; 安全模块
        __u32                   i_generation; 索引节点版本号
        union {
                void            *generic_ip;文件特殊信息
        } u;
};

       我们在进程中打开一个文件F，实际上就是要在内存中建立F的dentry,和inode结构，并让它们与进程结构联系来，把VFS中定义的接口给接起来。我们来看一看这个经典的图：

下图为多个进程打开同一文件的情况：