咱们一起学 LINUX（六）：揭秘内核文件表的实现机制

咱们一起学 LINUX（六）：揭秘内核文件表的实现机制

在 Linux 知识的探索旅程中，我们不断深入挖掘其内部的奥秘。今天，我们将聚焦于内核文件表的实现，这是 Linux 文件管理体系中极为关键的一部分。我希望通过分享这些知识，能与大家共同进步，进一步提升对 Linux 系统的理解深度。

一、内核文件表的核心结构剖析

在 Linux 内核中，每个进程都有一个对应的 task_struct 结构体，而进程的文件表就保存在 task_struct->files 中。这个文件表的结构 files_struct 蕴含着许多精妙的设计。
其中，atomic_t count 是文件表 files_struct 的引用计数，它用于跟踪有多少地方在使用这个文件表结构。这就好比图书馆里一本书的借阅记录，每次有人借阅这本书（使用文件表），借阅计数就会增加，当不再使用时，计数相应减少。
struct fdtable __rcu *fdt 和 struct fdtable fdtab 是文件描述符表相关的部分。这里有两个 fdtable 是内核的一种优化策略。通常情况下，fdt 是指向 fdtab 的指针，而 fdtab 是一个普通变量。大多数时候，默认大小的文件表就能满足进程的需求，所以内核采用这种方式，先使用普通变量或数组作为默认情况，只有当进程打开的文件数量超过默认值时，才会动态申请内存来扩展文件表。这就像我们平时使用的背包，有一定的默认容量，当我们装的东西超过这个容量时，才需要去换一个更大的背包。
spinlock_t file_lock 是用于保护文件表操作的自旋锁，并且通过 ____cacheline_aligned_in_smp 保证其以 cache line 对齐，这样可以避免在多处理器系统中出现 false sharing（伪共享）的问题。可以把它想象成一个房间的门锁，当一个线程（人）在操作文件表（在房间里做事）时，会锁上门（获取自旋锁），防止其他线程（人）同时进入干扰，而 cache line 对齐就像是把这个门锁放在最合适的位置，避免不必要的麻烦。
int next_fd 用于查找下一个空闲的文件描述符，方便内核在进程打开新文件时分配文件描述符。struct embedded_fd_set close_on_exec_init 和 struct embedded_fd_set open_fds_init 分别保存了执行 exec 函数时需要关闭的文件描述符位图以及当前打开的文件描述符位图，就像两个清单，记录着不同状态下的文件描述符信息。struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT] 是一个固定大小的 file 结构数组，用于存储与文件描述符相关的文件管理结构，默认大小的数组能涵盖大多数情况，减少动态分配内存的开销。

二、init 进程文件表的初始化与继承机制

init 进程是 Linux 的第一个进程，它的文件表是一个全局变量 init_files。在其初始化过程中，init_files.fdt 和 init_files.fdtab.fd 都分别指向了自身已有的成员变量，以此作为默认值。
当其他进程通过 fork 系统调用从 init 进程创建出来时，会调用 dup_fd 函数来处理文件表的复制和初始化。在 dup_fd 函数中，新创建的进程的文件表 newf 会被分配内存并进行初始化。首先，设置引用计数为 1，初始化自旋锁，将 next_fd 设置为 0。然后，对新的 fdtable 结构 new_fdt 进行初始化，同样让 new_fdt 和 new_fdt->fd 指向其本身的成员变量 fdtab 和 fd_array，这样新进程就继承了类似 init 进程的文件表结构，保证了文件管理的一致性和稳定性。
为了更好地理解文件描述符的使用，我们来看一个简单的示例代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
int main() {
 // 打开一个文件，获取文件描述符
 int fd1 = open("test.txt", O_RDONLY);
 if (fd1!= -1) {
 // 复制文件描述符
 int fd2 = dup(fd1);
 if (fd2!= -1) {
 // 分别对两个文件描述符进行读操作
 char buffer1[1024];
 char buffer2[1024];
 ssize_t bytesRead1 = read(fd1, buffer1, sizeof(buffer1));
 ssize_t bytesRead2 = read(fd2, buffer2, sizeof(buffer2));
 if (bytesRead1 > 0 && bytesRead2 > 0) {
 // 输出读取到的内容
 printf("从文件描述符 fd1 读取的内容: %s", buffer1);
 printf("从文件描述符 fd2 读取的内容: %s", buffer2);
 } else {
 perror("读取文件失败");
 }
 // 关闭文件描述符
 close(fd1);
 close(fd2);
 } else {
 perror("复制文件描述符失败");
 }
 } else {
 perror("打开文件失败");
 }
 return 0;
}

在这个示例中，我们首先打开一个文件 test.txt 并获取文件描述符 fd1，然后通过 dup 函数复制这个文件描述符得到 fd2。接着，分别使用 fd1 和 fd2 进行读操作，最后关闭这两个文件描述符。这个过程中，内核会根据文件表的结构来管理这些文件描述符的操作，与我们前面讲解的内核文件表的机制紧密相关。

三、总结与展望

通过对内核文件表实现机制的学习，我们对 Linux 系统如何管理进程的文件资源有了更清晰的认识。从文件表的结构设计到 init 进程的初始化以及其他进程的继承过程，每一个环节都体现了 Linux 内核的高效与精妙。
在未来的学习中，我们可以进一步研究在高并发场景下，内核文件表的性能优化策略，以及不同文件系统对内核文件表操作的影响。同时，结合实际的应用开发和系统运维，深入理解这些知识在实际工作中的应用和重要性。
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