Linux 内核用于I/O的三个数据结构

1 struct file：

系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的structfile。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。structfile结构体定义在/linux/include/linux/fs.h。
该结构体中含有文件的属性：包括
1、mode_t f_mode
对文件的读写模式，对应系统调用open的mod_tmode参数。如果驱动程序需要这个值，可以直接读取这个字段。mod_t被定义为unsigned int。
2、当前的文件指针位置，即文件的读写位置(loff_t f_pos) loff_t被定义为：long long
3、文件的所有者id，所有者所在组的id
二、与进程联系的文件系统相关结构
进程是通过文件描述符（filedescriptor，fd）来访问文件的，每个进程最多能同时使用NR_OPEN个文件描述符，这个值在include/linux/limits.h中定义为1024。每一个进程用一个打开文件表files_struct来描述进程的文件描述符使用情况。每一个文件都有一个文件指针。
进程的task_struct中有文件系统相关的数据成员：
struct task_struct {

……

/* filesysteminformation */

structfs_struct *fs;

/* open fileinformation */

structfiles_struct *files;

……

};
结构fs_struct给出了与进程相关的文件系统的信息，比如进程自己的当前工作目录，它的根目录等。
还有一个表表示进程打开的文件，即task_struct结构的files_struct类型的files字段。它给出了所有的进程描述符的使用情况，其file结构指针数组成员给出了文件描述符的信息，其定义如下：
include/linux/fdtable.h

struct files_struct{

……

/*文件描述符表 */

structfdtable *fdt;

structfdtable fdtab;

/*文件对象指针的初始化数组 */

structfile * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];

};
文件描述符表的所有元素被放在一个单独的结构——struct fdtable中。即fdtable结构是进程的文件描述符表，其定义如下：
include/linux/fdtable.h

struct fdtable {

……

unsignedint max_fds;

structfile ** fd; /* current fd array */

fd_set*open_fds;

structfdtable *next;

};
fd字段指向文件对象指针数组。该数组的长度存放在max_fds中。通常，fd字段指向files_struct的fd_array字段，该字段包含32个文件对象指针。如果进程打开的文件数目多于32个，内核就分配一个新的、更大的文件指针数组，并将其地址放在fd中，内核也同时更新max_fds字段的值。
对于在fd数组中有元素的每个文件来说，数组的索引就是文件描述符。Unix进程将文件描述符作为主文件标识符。两个文件描述符可以指向同一个打开的文件。
进程不能使用多于NR_OPEN个文件描述符。open_fds字段最初包含open_fds_init字段的地址，open_fds_init表示当前已打开文件描述符的位图。max_fds字段存放位图中的位数。
fd_set结构是文件描述符集，它将同一种情况下的多个文件描述符放在一起。在include/linux/types.h有中定义：
typedef __kernel_fd_set fd_set;

__kernel_fd_set结构在include/linux/posix_types.h中定义：

typedef struct {

unsignedlong fds_bits [__FDSET_LONGS];

} __kernel_fd_set;
三、打开文件的内核数据结构
每个进程中有一张打开文件描述符表（struct task_struct→struct files_struct→structfdtable→struct file ** fd在fd数组中有元素的每个文件来说，数组的索引就是文件描述符）。可将其视为一个矢量，每个描述符占用一项。与每个文件描述符相关联的是：a)文件描述符标志。b)指向一个文件表项的指针(structfile*)。



这三个数据结构决定了文件共享中，一个进程对另一个进程的作用：

　　一、进程表中的记录项

　　这个记录项为进程当前打开文件列表，每一的表项包含文件描述符标志和文件描述表的项的指针。

　　二、文件表

　　是内核为所有打开文件维持的一张表，其中没一项包括：文件状态标志(读，写，增等)，文件当前位移量，只想V节点表的项的指针。

　　三、V节点表


　　每个打开文件(设备)都有一个V节点结构，V节点包含了文件类型和对此文件进行操作的函数的指针;V节点中还包含文件的I节点结构，i节点结构中保函文件所有者，长度，所在设备，只想实际磁盘数据块等(索引信息)。

如果多个进程同时打开一个文件，则各自拥有自己的文件表但是共同拥有V节点。在写文件的时候为了解决冲突问题，引入了原子操作，将“定位到文件结尾，然后写文件”作为一个完整的原子操作。