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Linux內(nèi)核的VFS子系統(tǒng)可以圖示如下：

圖 29.8. VFS

在第 28 章 文件與I/O中講過，每個進(jìn)程在PCB（Process Control Block）中都保存著一份文件描述符表，文件描述符就是這個表的索引，每個表項都有一個指向已打開文件的指針，現(xiàn)在我們明確一下：已打開的文件在內(nèi)核中用file結(jié)構(gòu)體表示，文件描述符表中的指針指向file結(jié)構(gòu)體。

在file結(jié)構(gòu)體中維護(hù)File Status Flag（file結(jié)構(gòu)體的成員f_flags）和當(dāng)前讀寫位置（file結(jié)構(gòu)體的成員f_pos）。在上圖中，進(jìn)程1和進(jìn)程2都打開同一文件，但是對應(yīng)不同的file結(jié)構(gòu)體，因此可以有不同的File Status Flag和讀寫位置。file結(jié)構(gòu)體中比較重要的成員還有f_count，表示引用計數(shù)（Reference Count），后面我們會講到，dup、fork等系統(tǒng)調(diào)用會導(dǎo)致多個文件描述符指向同一個file結(jié)構(gòu)體，例如有fd1和fd2都引用同一個file結(jié)構(gòu)體，那么它的引用計數(shù)就是2，當(dāng)close(fd1)時并不會釋放file結(jié)構(gòu)體，而只是把引用計數(shù)減到1，如果再close(fd2)，引用計數(shù)就會減到0同時釋放file結(jié)構(gòu)體，這才真的關(guān)閉了文件。

每個file結(jié)構(gòu)體都指向一個file_operations結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體的成員都是函數(shù)指針，指向?qū)崿F(xiàn)各種文件操作的內(nèi)核函數(shù)。比如在用戶程序中read一個文件描述符，read通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，然后找到這個文件描述符所指向的file結(jié)構(gòu)體，找到file結(jié)構(gòu)體所指向的file_operations結(jié)構(gòu)體，調(diào)用它的read成員所指向的內(nèi)核函數(shù)以完成用戶請求。在用戶程序中調(diào)用lseek、read、write、ioctl、open等函數(shù)，最終都由內(nèi)核調(diào)用file_operations的各成員所指向的內(nèi)核函數(shù)完成用戶請求。file_operations結(jié)構(gòu)體中的release成員用于完成用戶程序的close請求，之所以叫release而不叫close是因?yàn)樗灰欢ㄕ娴年P(guān)閉文件，而是減少引用計數(shù)，只有引用計數(shù)減到0才關(guān)閉文件。對于同一個文件系統(tǒng)上打開的常規(guī)文件來說，read、write等文件操作的步驟和方法應(yīng)該是一樣的，調(diào)用的函數(shù)應(yīng)該是相同的，所以圖中的三個打開文件的file結(jié)構(gòu)體指向同一個file_operations結(jié)構(gòu)體。如果打開一個字符設(shè)備文件，那么它的read、write操作肯定和常規(guī)文件不一樣，不是讀寫磁盤的數(shù)據(jù)塊而是讀寫硬件設(shè)備，所以file結(jié)構(gòu)體應(yīng)該指向不同的file_operations結(jié)構(gòu)體，其中的各種文件操作函數(shù)由該設(shè)備的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)。

每個file結(jié)構(gòu)體都有一個指向dentry結(jié)構(gòu)體的指針，“dentry”是directory entry（目錄項）的縮寫。我們傳給open、stat等函數(shù)的參數(shù)的是一個路徑，例如/home/akaedu/a，需要根據(jù)路徑找到文件的inode。為了減少讀盤次數(shù)，內(nèi)核緩存了目錄的樹狀結(jié)構(gòu)，稱為dentry cache，其中每個節(jié)點(diǎn)是一個dentry結(jié)構(gòu)體，只要沿著路徑各部分的dentry搜索即可，從根目錄/找到home目錄，然后找到akaedu目錄，然后找到文件a。dentry cache只保存最近訪問過的目錄項，如果要找的目錄項在cache中沒有，就要從磁盤讀到內(nèi)存中。

每個dentry結(jié)構(gòu)體都有一個指針指向inode結(jié)構(gòu)體。inode結(jié)構(gòu)體保存著從磁盤inode讀上來的信息。在上圖的例子中，有兩個dentry，分別表示/home/akaedu/a和/home/akaedu/b，它們都指向同一個inode，說明這兩個文件互為硬鏈接。inode結(jié)構(gòu)體中保存著從磁盤分區(qū)的inode讀上來信息，例如所有者、文件大小、文件類型和權(quán)限位等。每個inode結(jié)構(gòu)體都有一個指向inode_operations結(jié)構(gòu)體的指針，后者也是一組函數(shù)指針指向一些完成文件目錄操作的內(nèi)核函數(shù)。和file_operations不同，inode_operations所指向的不是針對某一個文件進(jìn)行操作的函數(shù)，而是影響文件和目錄布局的函數(shù)，例如添加刪除文件和目錄、跟蹤符號鏈接等等，屬于同一文件系統(tǒng)的各inode結(jié)構(gòu)體可以指向同一個inode_operations結(jié)構(gòu)體。

inode結(jié)構(gòu)體有一個指向super_block結(jié)構(gòu)體的指針。super_block結(jié)構(gòu)體保存著從磁盤分區(qū)的超級塊讀上來的信息，例如文件系統(tǒng)類型、塊大小等。super_block結(jié)構(gòu)體的s_root成員是一個指向dentry的指針，表示這個文件系統(tǒng)的根目錄被mount到哪里，在上圖的例子中這個分區(qū)被mount到/home目錄下。

file、dentry、inode、super_block這幾個結(jié)構(gòu)體組成了VFS的核心概念。對于ext2文件系統(tǒng)來說，在磁盤存儲布局上也有inode和超級塊的概念，所以很容易和VFS中的概念建立對應(yīng)關(guān)系。而另外一些文件系統(tǒng)格式來自非UNIX系統(tǒng)（例如Windows的FAT32、NTFS），可能沒有inode或超級塊這樣的概念，但為了能mount到Linux系統(tǒng)，也只好在驅(qū)動程序中硬湊一下，在Linux下看FAT32和NTFS分區(qū)會發(fā)現(xiàn)權(quán)限位是錯的，所有文件都是rwxrwxrwx，因?yàn)樗鼈儽緛砭蜎]有inode和權(quán)限位的概念，這是硬湊出來的。

dup和dup2都可用來復(fù)制一個現(xiàn)存的文件描述符，使兩個文件描述符指向同一個file結(jié)構(gòu)體。如果兩個文件描述符指向同一個file結(jié)構(gòu)體，F(xiàn)ile Status Flag和讀寫位置只保存一份在file結(jié)構(gòu)體中，并且file結(jié)構(gòu)體的引用計數(shù)是2。如果兩次open同一文件得到兩個文件描述符，則每個描述符對應(yīng)一個不同的file結(jié)構(gòu)體，可以有不同的File Status Flag和讀寫位置。請注意區(qū)分這兩種情況。

#include <unistd.h>int dup(int oldfd);int dup2(int oldfd, int newfd);

如果調(diào)用成功，這兩個函數(shù)都返回新分配或指定的文件描述符，如果出錯則返回-1。dup返回的新文件描述符一定是該進(jìn)程未使用的最小文件描述符，這一點(diǎn)和open類似。dup2可以用newfd參數(shù)指定新描述符的數(shù)值。如果newfd當(dāng)前已經(jīng)打開，則先將其關(guān)閉再做dup2操作，如果oldfd等于newfd，則dup2直接返回newfd而不用先關(guān)閉newfd再復(fù)制。

下面這個例子演示了dup和dup2函數(shù)的用法，請結(jié)合后面的連環(huán)畫理解程序的執(zhí)行過程。

#include <unistd.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>int main(void){	int fd, save_fd;	char msg[] = "This is a test\n";	fd = open("somefile", O_RDWR|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR);	if(fd<0) {		perror("open");		exit(1);	}	save_fd = dup(STDOUT_FILENO);	dup2(fd, STDOUT_FILENO);	close(fd);	write(STDOUT_FILENO, msg, strlen(msg));	dup2(save_fd, STDOUT_FILENO);	write(STDOUT_FILENO, msg, strlen(msg));	close(save_fd);	return 0;}

圖 29.9. dup/dup2示例程序

重點(diǎn)解釋兩個地方：