C语言中FILE 结构体
1、FILE 是 C语言文件结构定义, 打开文件和文件操作要用到这类结构。可以看成变量类型,用于变量声明。这个是一种数据结构类型,用来表示一个文件的相关信息,如果定义了一个文件指针,就用这个指针来指向某个文件,然后就能使用这个指针对文件来进行操作了。
2、FILE在"stdio.h"中有如下定义:
struct _iobuf { char *_ptr; //文件输入的下一个位置 int _cnt; //当前缓冲区的相对位置 char *_base; //指基础位置(即是文件的其始位置) int _flag; //文件标志 int _file; //文件的有效性验证 int _charbuf; //检查缓冲区状况,如果无缓冲区则不读取 int _bufsiz; //文件的大小 char *_tmpfname; //临时文件名 }; typedef struct _iobuf FILE;
Linux中FILE结构体
1.1 struct file
struct file结构体定义在includenux/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。
struct file 的最重要成员在这展示.
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.
file 结构如下所示:
struct file { union { struct list_head fu_list; //文件对象链表指针linux/includenuxst.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/includenux/fs.h中定义,文件预读相关 unsigned long f_version; #ifdef CONFIG_SECURITY void *f_security; #endif void *private_data; #ifdef CONFIG_EPOLL struct list_head f_ep_links; spinlock_t f_ep_lock; #endif 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; 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includenux/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; };
1、struct inode──字符设备驱动相关的重要结构介绍
内核中用inode结构表示具体的文件,而用file结构表示打开的文件描述符。Linux2.6.27内核中,inode结构体具体定义如下:
struct inode { struct hlist_node i_hash; struct list_head i_list; struct list_head i_sb_list; struct list_head i_dentry; unsigned long i_ino; atomic_t i_count; unsigned int i_nlink; uid_t i_uid; gid_t i_gid; dev_t i_rdev; //该成员表示设备文件的inode结构,它包含了真正的设备编号。 u64 i_version; loff_t i_size; #ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED seqcount_t i_size_seqcount; #endif struct timespec i_atime; struct timespec i_mtime; struct timespec i_ctime; unsigned int i_blkbits; blkcnt_t i_blocks; unsigned short i_bytes; umode_t i_mode; spinlock_t i_lock; struct mutex i_mutex; struct rw_semaphore i_alloc_sem; const struct inode_operations *i_op; const struct file_operations *i_fop; struct super_block *i_sb; struct file_lock *i_flock; struct address_space *i_mapping; struct address_space i_data; #ifdef CONFIG_QUOTA struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS]; #endif struct list_head i_devices; union { struct pipe_inode_info *i_pipe; struct block_device *i_bdev; struct cdev *i_cdev; //该成员表示字符设备的内核的 内部结构。当inode指向一个字符设备文件时,该成员包含了指向struct cdev结构的指针,其中cdev结构是字符设备结构体。 }; int i_cindex; __u32 i_generation; #ifdef CONFIG_DNOTIFY unsigned long i_dnotify_mask; struct dnotify_struct *i_dnotify; #endif #ifdef CONFIG_INOTIFY struct list_head inotify_watches; struct mutex inotify_mutex; #endif unsigned long i_state; unsigned long dirtied_when; unsigned int i_flags; atomic_t i_writecount; #ifdef CONFIG_SECURITY void *i_security; #endif void *i_private; };
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: