Linux FILE 結構詳解

 在Linux裡，每一個檔案都有一個file結構和inode結構，inode結構是用來讓Kernel做管理的，而file結構則是我們平常對檔案讀寫或開啟，關閉所使用的。當然，從user的觀點來看是看不出什麼的。在Linux裡，檔案的觀念應用的蠻廣泛的，甚至是寫一個driver你也只要提供一組的file operations就可以完成了。我們現在來看看File結構的內容。 
　　
　　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結構，file結構就顯得小多了，file結構也是用串列來管理，f_next會指到下一個file結構，而f_pprev則是會指到上一個file結構地址的地址，不過，這個欄位的用法跟一般指到前一個file結構的用法不太一樣，有機會再跟各位討論，f_dentry會記錄其inode的dentry地址，f_mode為檔案存取的種類，f_pos則是目前檔案的offset，每次讀寫都從offset記錄的位置開始讀寫，f_count是此file結構的reference cout，f_flags則是開啟此檔案的模式，f_reada，f_ramax，f_raend，f_ralen，f_rawin則是控制read ahead的參數，f_owner記錄了要接收SIGIO和SIGURG的行程ID或行程群組ID，private_data則是tty driver所使用的欄位。最後，我們來看看f_op這個欄位。這個欄位記錄了一組的函式是專門用來使用檔案的。 
　　
　　· llseek(file，offset，where) 
　　
　　我們寫程式會呼叫lseek()系統呼叫設定從檔案那個位置開始讀寫，這個函式你可以不用提供，因為系統已經有一個寫好的，但是系統提供的llseek()沒有辦法讓你將where設為SEEK_END，因為系統不知道你的檔案長度是多少，所以沒辦法提供這樣的服務。如果你不提供llseek()的話，那系統會直接使用它已經有的llseek()。llseek()必須要將file->offset的值做改新。 
　　
　　· read(file，buf，buflen，poffset) 
　　
　　當我們讀取一個檔案時，最終就是會呼叫read()這個函式來讀取檔案內容。這些參數VFS會替我們準備好，至於poffset則是offset的指標，這是要告訴read()從那裡開始讀，讀完之後必須更新poffset的內容。請注意，在這裡buf是一個地址，而且是一個位於user space的地址。 
　　
　　· write(file，buf，buflen，poffset) 
　　
　　write()的動作就跟read()是相反的，參數也都一樣，buf依然是位於user space的地址。 
　　
　　· readdir(file，dirent，filldir) 
　　
　　這是用來讀取目錄的下一個direntry的，其中file是file結構地址，dirent則是一個readdir_callback結構，這個結構裡包含了使用者呼叫readdir()系統呼叫時所傳過去的dirent結構地址，filldir則是一個函式指標，這個函式在VFS已經有提供了，這個函式其實是增加了kernel在讀取dirent方面的彈性。當檔案系統的readdir()被呼叫時，在它把下一個dirent取出來之後，應該要呼叫filldir()，讓它把所需的資料寫到user space的dirent結構裡，也許還會多做些處理。有興趣的朋友可以參考的filldir()函式。 
　　
　　· poll(file，poll_table) 
　　
　　之前的Kernel版本本來是在file_operations結構裡有select()函式而不是poll()函式的。但是，這並不代表Linux不提供select()系統呼叫，相反的，Linux仍然提供select()系統呼叫，只不過select()系統呼叫implement的方式是使用poll()函式來做的。 
　　
　　· ioctl(inode，file，cmd，arg) 
　　
　　ioctl()這個函式其實有很大的用途，尤其它可以做為user space的程式對Kernel的一個溝通管道。那ioctl()是什麼時候被呼叫呢? 還記得平常寫程式時偶而會用到ioctl()系統呼叫來直接控制檔案或device嗎? 是的，ioctl()系統呼叫最後就是把命令交給檔案的f_op->ioctl()來執行。f_op->ioctl()要做的事很簡單，只要根據cmd的值，做出適當的行為，並傳回值即可。但是，ioctl()系統呼叫其實是分幾個步驟的，第一，系統有幾個內定的command它自己可以處理，在這種情形下，它不會呼叫f_op->ioctl()來處理。如果user指定的command是以下的一種，那VFS會自己處理。 
　　
　　o FIONCLEX 
　　
　　清除檔案的close-on-exec位。 
　　
　　o FIOCLEX 
　　
　　設定檔案的close-on-exec位。 
　　
　　o FIONBIO 
　　
　　如果arg傳過來的值為0的話，就將檔案的O_NONBLOCK屬性去掉，但是如果不等於0的話，就將O_NONBLOCK屬性設起來。 
　　
　　o FIOASYNC 
　　
　　如果arg傳過來的值為0的話，就將檔案的O_SYNC屬性去掉，但是如果不等於0的話，就將O_SYNC屬性設起來。只是在Kernel 2.2.1時，這個屬性的功能還沒完成。 
　　
　　如果cmd的值不是以上數種，而且如果file所代表的不是普通的檔案的話，像是device之類的特殊檔案，VFS會直接呼叫f_op->ioctl()去處理。但是如果file代表普通檔案的話，那VFS會呼叫file_ioctl()做另外的處理。何謂另外的處理呢? file_ioctl()會再過澽一次cmd的值，如果是以下數種，它會先做些處理，然後再呼叫f_op->ioctl()，不管怎麼樣，file_ioctl()最後都會再呼叫f_op->ioctl()去處理。 
　　
　　o FIBMAP 
　　
　　先將arg指到的檔案block number取出來，並呼叫f_op->bmap()計算出其disk上的block number，最後再將計算出來的block number放到arg參數裡。 
　　
　　o FIGETBSZ 
　　
　　先取得檔案系統block的大小並放入arg的參數裡。 
　　
　　o FIONREAD 
　　
　　將檔案剩下尚未讀取的長度寫到arg裡。比方說檔案大小是1000，而f_op->offset的值是300，表示還有700個byte尚未讀取，所以，將700寫到arg參數裡。 
　　
　　· mmap(file，vmarea) 
　　
　　這個函式是用來將檔案的部分內容映像到記憶體中的，file是指要被映像的檔案，而vmarea則是用來描述到映像到記憶體的那裡。 
　　
　　· open(inode，file) 
　　
　　當我們呼叫open()系統呼叫來開啟檔案時，open()會把所有的事都做好，最後則會呼叫f_op->open()看檔案系統是否要做些什麼事，一般來講，VFS已經把事做好了，所以很多系統事實上根本不提供這個函式，當然，你要提供也可以，比方說，你可以在這個函式裡計算這個檔案系統的檔案被使用過多少次等。 
　　
　　· flush(file) 
　　
　　這個函式也是新增加的，這個函式是在我們呼叫close()系統呼叫來關閉檔案時所呼叫的。只要你呼叫close()系統呼叫，那close()就會呼叫flush()，不管那個時候f_count的值是否為0。這個函式我不是很確定在做什麼的，事實上，在Ext2裡也沒有提供這麼一個函式，也許是在關閉檔案之前，VFS允許檔案系統先做些backup的動作吧。 
　　
　　· release(inode，file) 
　　
　　這個函式也是在close()系統呼叫裡使用的，當然，不盡在close()中使用，在別的地方也是有使用到。基本上，這個函式的定位跟open()很像，不過，當我們對一個檔案呼叫close()時，只有當f_count的值歸0時，VFS才會呼叫這個函式做處理。一般來講，如果你在open()時配置了一些東西，那應該在release()時將配置的東西釋放掉。至於f_count的值則是不用在open()和release()中控制，VFS已經在fget()和fput()中增減f_count了。 
　　 
　　
　　· fsync(file，dentry) 
　　
　　fsync()這個函式主要是由buffer cache所使用，它是用來跟file這個檔案的資料寫到disk上。事實上，Linux裡有兩個系統呼叫，fsync()和fdatasync()，都是呼叫f_op->fsync()。它們幾乎是一模一樣的，差別在於fsync()呼叫f_op->fsync()之前會使用semaphore將f_op->fsync()設成critical section，而fdatasync()則是直接呼叫f_op->fsync()而不設semaphore。 
　　
　　· fasync(fd，file，on) 
　　
　　當我們呼叫fcntl()系統呼叫，並使用F_SETFL命令來設定檔案的參數時，VFS就會呼叫fasync()這個函式，而當讀寫檔案的動作完成時，行程會收到SIGIO的訊息。 
　　
　　· check_media_change(dev) 
　　
　　這個函式只對可以使用可移動的disk的block device有效而已，像是MO，CDROM，floopy disk等等。為什麼對這些可以把disk隨時抽取的需要提供這麼一個函式呢? 其實，從字面上我們大概可以知道，這是用來檢查disk是否換過了，以CDROM為例，每一個光碟片片都代表一個檔案系統，如果今天我們把光碟片片換掉了，那表示這個檔案系統不存在了，如果user此時去讀取這個檔案系統的資料，那會發生什麼事? 很有可能系統就這麼出事了。所以，對於這種的device，每當在mount時，我們就必須檢查其中的disk是否換過了，如何檢查呢? 當然只有檔案系統本身才知道，所以，檔案系統必須提供此函式。 
　　
　　· revalidate(dev) 
　　
　　這個函式跟上面的check_media_change()有著相當的關係。當user執行mount要掛上一個檔案系統時，mount會先呼叫裡的check_disk_change()，如果檔案系統所屬的device有提供這個函式的話，那check_disk_change()會先呼叫f_op->check_media_change()來檢查是否其中的disk有換過，如果有則呼叫invalidate_inodes()和invalidate_buffers()將跟原本disk有關的buffer或inode都設為無效，如果檔案系統所屬的device還有提供revalidate()的話，那就再呼叫revalidate()將此device的資料記錄好。 
　　
　　· lock(file，cmd，file_lock) 
　　
　　這個函式也是新增加的，在Linux裡，我們可對一