Liux基础教程：Linux FILE 结构详解

在Linux里，每一个档案都有一个file结构和inode结构，inode结构是用来让Kernel做管理的，而file结构则是我们平常对档案读写或开启，关闭所使用的。当然，从user的观点来看是看不出什么的。在Linux里，档案的观念应用的蛮广泛的，甚至是写一个driver你也只要提供一组的file operations就可以完成了。我们现在来看看File结构的内容。
　　
　　struct file {
　　struct file *f_next，**f_pprev;
　　struct dentry *f_dentry;
　　struct file_operations *f_op;
　　mode_t f_mode;
　　loff_t f_pos;
　　unsigned int f_count，f_flags;
　　unsigned long f_reada，f_ramax，f_raend，f_ralen，f_rawin;
　　struct fown_struct f_owner;
　　unsigned long f_version;
　　void *private_data;
　　};
　　
　　比起super_block和inode结构，file结构就显得小多了，file结构也是用串行来管理，f_next会指到下一个file结构，而f_pprev则是会指到上一个file结构地址的地址，不过，这个字段的用法跟一般指到前一个file结构的用法不太一样，有机会再跟各位讨论，f_dentry会记录其inode的dentry地址，f_mode为档案存取的种类，f_pos则是目前档案的offset，每次读写都从offset记录的位置开始读写，f_count是此file结构的reference cout，f_flags则是开启此档案的模式，f_reada，f_ramax，f_raend，f_ralen，f_rawin则是控制read ahead的参数，f_owner记录了要接收SIGIO和SIGURG的行程ID或行程群组ID，private_data则是tty driver所使用的字段。最后，我们来看看f_op这个字段。这个字段记录了一组的函式是专门用来使用档案的。
　　
　　· llseek(file，offset，where)
　　
　　我们写程序会呼叫lseek()系统呼叫设定从档案那个位置开始读写，这个函式你可以不用提供，因为系统已经有一个写好的，但是系统提供的llseek()没有办法让你将where设为SEEK_END，因为系统不知道你的档案长度是多少，所以没办法提供这样的服务。如果你不提供llseek()的话，那系统会直接使用它已经有的llseek()。llseek()必须要将file->offset的值做改新。
　　
　　· read(file，buf，buflen，poffset)
　　
　　当我们读取一个档案时，最终就是会呼叫read()这个函式来读取档案内容。这些参数VFS会替我们准备好，至于poffset则是offset的指针，这是要告诉read()从那里开始读，读完之后必须更新poffset的内容。请注意，在这里buf是一个地址，而且是一个位于user space的地址。
　　
　　· write(file，buf，buflen，poffset)
　　
　　write()的动作就跟read()是相反的，参数也都一样，buf依然是位于user space的地址。
　　
　　· readdir(file，dirent，filldir)
　　
　　这是用来读取目录的下一个direntry的，其中file是file结构地址，dirent则是一个readdir_callback结构，这个结构里包含了使用者呼叫readdir()系统呼叫时所传过去的dirent结构地址，filldir则是一个函式指针，这个函式在VFS已经有提供了，这个函式其实是增加了kernel在读取dirent方面的弹性。www.linuxidc.com当档案系统的readdir()被呼叫时，在它把下一个dirent取出来之后，应该要呼叫filldir()，让它把所需的资料写到user space的dirent结构里，也许还会多做些处理。有兴趣的朋友可以参考的filldir()函式。
　　
　　· poll(file，poll_table)
　　
　　之前的Kernel版本本来是在file_operations结构里有select()函式而不是poll()函式的。但是，这并不代表Linux不提供select()系统呼叫，相反的，Linux仍然提供select()系统呼叫，只不过select()系统呼叫implement的方式是使用poll()函式来做的。
　　
　　· ioctl(inode，file，cmd，arg)
　　
　　ioctl()这个函式其实有很大的用途，尤其它可以做为user space的程序对Kernel的一个沟通管道。那ioctl()是什么时候被呼叫呢? 还记得平常写程序时偶而会用到ioctl()系统呼叫来直接控制档案或device吗? 是的，ioctl()系统呼叫最后就是把命令交给档案的f_op->ioctl()来执行。f_op->ioctl()要做的事很简单，只要根据cmd的值，做出适当的行为，并传回值即可。但是，ioctl()系统呼叫其实是分几个步骤的，第一，系统有几个内定的command它自己可以处理，在这种情形下，它不会呼叫f_op->ioctl()来处理。如果user指定的command是以下的一种，那VFS会自己处理。
　　
　　o FIONCLEX
　　
　　清除档案的close-on-exec位。
　　
　　o FIOCLEX
　　
　　设定档案的close-on-exec位。
　　
　　o FIONBIO
　　
　　如果arg传过来的值为0的话，就将档案的O_NONBLOCK属性去掉，但是如果不等于0的话，就将O_NONBLOCK属性设起来。
　　
　　o FIOASYNC
　　
　　如果arg传过来的值为0的话，就将档案的O_SYNC属性去掉，但是如果不等于0的话，就将O_SYNC属性设起来。只是在Kernel 2.2.1时，这个属性的功能还没完成。
　　
　　如果cmd的值不是以上数种，而且如果file所代表的不是普通的档案的话，像是device之类的特殊档案，VFS会直接呼叫f_op->ioctl()去处理。但是如果file代表普通档案的话，那VFS会呼叫file_ioctl()做另外的处理。何谓另外的处理呢? file_ioctl()会再过澽一次cmd的值，如果是以下数种，它会先做些处理，然后再呼叫f_op->ioctl()，不管怎么样，file_ioctl()最后都会再呼叫f_op->ioctl()去处理。
　　
　　o FIBMAP
　　
　　先将arg指到的档案block number取出来，并呼叫f_op->bmap()计算出其disk上的block number，最后再将计算出来的block number放到arg参数里。
　　
　　o FIGETBSZ
　　
　　先取得档案系统block的大小并放入arg的参数里。
　　
　　o FIONREAD
　　
　　将档案剩下尚未读取的长度写到arg里。比方说档案大小是1000，而f_op->offset的值是300，表示还有700个byte尚未读取，所以，将700写到arg参数里。
　　· mmap(file，vmarea)
　　
　　这个函式是用来将档案的部分内容映像到内存中的，file是指要被映像的档案，而vmarea则是用来描述到映像到内存的那里。
　　
　　· open(inode，file)
　　
　　当我们呼叫open()系统呼叫来开启档案时，open()会把所有的事都做好，最后则会呼叫f_op->open()看档案系统是否要做些什么事，一般来讲，VFS已经把事做好了，所以很多系统事实上根本不提供这个函式，当然，你要提供也可以，比方说，你可以在这个函式里计算这个档案系统的档案被使用过多少次等。
　　
　　· flush(file)
　　
　　这个函式也是新增加的，这个函式是在我们呼叫close()系统呼叫来关闭档案时所呼叫的。只要你呼叫close()系统呼叫，那close()就会呼叫flush()，不管那个时候f_count的值是否为0。这个函式我不是很确定在做什么的，事实上，在Ext2里也没有提供这么一个函式，也许是在关闭档案之前，VFS允许档案系统先做些backup的动作吧。
　　
　　· release(inode，file)
　　
　　这个函式也是在close()系统呼叫里使用的，当然，不尽在close()中使用，在别的地方也是有使用到。基本上，这个函式的定位跟open()很像，不过，当我们对一个档案呼叫close()时，只有当f_count的值归0时，VFS才会呼叫这个函式做处理。一般来讲，如果你在open()时配置了一些东西，那应该在release()时将配置的东西释放掉。至于f_count的值则是不用在open()和release()中控制，VFS已经在fget()和fput()中增减f_count了。
　　
　　
　　· fsync(file，dentry)
　　
　　fsync()这个函式主要是由buffer cache所使用，它是用来跟file这个档案的资料写到disk上。事实上，Linux里有两个系统呼叫，fsync()和fdatasync()，都是呼叫f_op->fsync()。它们几乎是一模一样的，差别在于fsync()呼叫f_op->fsync()之前会使用semaphore将f_op->fsync()设成critical section，而fdatasync()则是直接呼叫f_op->fsync()而不设semaphore。
　　
　　· fasync(fd，file，on)
　　
　　当我们呼叫fcntl()系统呼叫，并使用F_SETFL命令来设定档案的参数时，VFS就会呼叫fasync()这个函式，而当读写档案的动作完成时，行程会收到SIGIO的讯息。
　　
　　· check_media_change(dev)
　　
　　这个函式只对可以使用可移动的disk的block device有效而已，像是MO，CDROM，floopy disk等等。为什么对这些可以把disk随时抽取的需要提供这么一个函式呢? 其实，从字面上我们大概可以知道，这是用来检查disk是否换过了，以CDROM为例，每一个光盘片都代表一个档案系统，如果今天我们把光盘片换掉了，那表示这个档案系统不存在了，如果user此时去读取这个档案系统的资料，那会发生什么事? 很有可能系统就这么出事了。所以，对于这种的device，每当在mount时，我们就必须检查其中的disk是否换过了，如何检查呢? 当然只有档案系统本身才知道，所以，档案系统必须提供此函式。
　　
　　· revalidate(dev)
　　
　　这个函式跟上面的check_media_change()有着相当的关系。当user执行mount要挂上一个档案系统时，mount会先呼叫里的check_disk_change()，如果档案系统所属的device有提供这个函式的话，那check_disk_change()会先呼叫f_op->check_media_change()来检查是否其中的disk有换过，如果有则呼叫invalidate_inodes()和invalidate_buffers()将跟原本disk有关的buffer或inode都设为无效，如果档案系统所属的device还有提供revalidate()的话，那就再呼叫revalidate()将此device的资料记录好。
　　
　　· lock(file，cmd，file_lock)
　　
　　这个函式也是新增加的。