FILE*結構體解析

struct file結構體定義在include/Linux/fs.h中定義。檔案結構體代表一個開啟的檔案，系統中的每個開啟的檔案在核心空間都有一個關聯的 struct file。它由核心在開啟檔案時建立，並傳遞給在檔案上進行操作的任何函式。在檔案的所有例項都關閉後，核心釋放這個資料結構。在核心建立和驅動原始碼中，struct file的指標通常被命名為file或filp。如下所示：

struct file {

　　union {

　　      struct list_head fu_list; //檔案物件連結串列指標linux/include/linux/list.h

　　      struct rcu_head fu_rcuhead; //RCU(Read-Copy Update)是Linux 2.6核心中新的鎖機制

　　 } f_u;

　　struct path f_path; //包含dentry和mnt兩個成員，用於確定檔案路徑

　　#define f_dentry f_path.dentry //f_path的成員之一，當前檔案的dentry結構

　　#define f_vfsmnt f_path.mnt //表示當前檔案所在檔案系統的掛載根目錄

　　const struct file_operations *f_op; //與該檔案相關聯的操作函式

　　atomic_t f_count; //檔案的引用計數(有多少程序開啟該檔案)

　　unsigned int f_flags; //對應於open時指定的flag

　　mode_t f_mode; //讀寫模式：open的mod_t mode引數

 loff_t     f_pos;//當前檔案指標位置

　　off_t f_pos; //該檔案在當前程序中的檔案偏移量

　　struct fown_struct f_owner; //該結構的作用是通過訊號進行I/O時間通知的資料。

　　unsigned int f_uid, f_gid;// 檔案所有者id，所有者組id

　　struct file_ra_state f_ra; //在linux/include/linux/fs.h中定義，檔案預讀相關

　　unsigned long f_version;//記錄檔案的版本號，每次使用之後遞增

　　#ifdef CONFIG_SECURITY

　　     void *f_security;

　　#endif

　　/* needed for tty driver, and maybe others */

　　void *private_data;//使用這個成員來指向分配的資料

　　#ifdef CONFIG_EPOLL

　　/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */

　　    struct list_head f_ep_links;

　　    spinlock_t f_ep_lock;

　　#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */

　　struct address_space *f_mapping;

　　};

其中有兩個非常重要的欄位：檔案描述符和緩衝區

檔案描述符fd：

fd只是一個小整數，在open時產生。起到一個索引的作用，程序通過PCB中的檔案描述符表找到該fd所指向的檔案指標filp。 

檔案描述符的操作(如: open)返回的是一個檔案描述符,核心會在每個程序空間中維護一個檔案描述符表, 所有開啟的檔案都將通過此表中的檔案描述符來引用; 

而流(如: fopen)返回的是一個FILE結構指標, FILE結構是包含有檔案描述符的，FILE結構函式可以看作是對fd直接操作的系統呼叫的封裝, 它的優點是帶有I/O快取。 

每個程序在PCB（Process Control Block）即程序控制塊中都儲存著一份檔案描述符表，檔案描述符就是這個表的索引，檔案描述表中每個表項都有一個指向已開啟檔案的指標，現在我們明確一下：已開啟的檔案在核心中用file結構體表示，檔案描述符表中的指標指向file結構體。 

緩衝區：

1、緩衝區機制

根據應用程式對檔案的訪問方式，即是否存在緩衝區，對檔案的訪問可以分為帶緩衝區的操作和非緩衝區的檔案操作：

　① 帶緩衝區檔案操作：高階標準檔案I/O操作，將會在使用者空間中自動為正在使用的檔案開闢記憶體緩衝區。

　② 非緩衝區檔案操作：低階檔案I/O操作，讀寫檔案時，不會開闢對檔案操作的緩衝區，直接通過系統呼叫對磁碟進行操作(讀、寫等)，當然用於可以在自己的程式中為每個檔案設定緩衝區。

兩種檔案操作的解釋和比較：

　　(1)非緩衝的檔案操作訪問方式，每次對檔案進行一次讀寫操作時，都需要使用讀寫系統呼叫來處理此操作，即需要執行一次系統呼叫，執行一次系統呼叫將涉及到CPU狀態的切換，即從使用者空間切換到核心空間，實現程序上下文的切換，這將損耗一定的CPU時間，頻繁的磁碟訪問對程式的執行效率造成很大的影響。

　　(2)ANSI標準C庫函式是建立在底層的系統呼叫之上，即C函式庫檔案訪問函式的實現中使用了低階檔案I/O系統呼叫，ANSI標準C庫中的檔案處理函式為了減少使用系統呼叫的次數，提高效率，採用緩衝機制，這樣，可以在磁碟檔案進行操作時，可以一次從檔案中讀出大量的資料到緩衝區中，以後對這部分的訪問就不需要再使用系統呼叫了，即需要少量的CPU狀態切換，提高了效率。

標準I/O提供了3種類型的緩衝區。

　　(1)全緩衝區：這種緩衝方式要求填滿整個緩衝區後才進行I/O系統呼叫操作。對於磁碟檔案的操作通常使用全緩衝的方式訪問。第一次執行I/O操作時，ANSI標準的檔案管理函式通過呼叫malloc函式獲得需要使用的緩衝區，預設大小為8192。

　　(2)行緩衝區：在行緩衝情況下，當在輸入和輸出中遇到換行符時，標準I/O庫函式將會執行系統呼叫操作。當所操作的流涉及一個終端時（例如標準輸入和標準輸出），使用行緩衝方式。因為標準I/O庫每行的緩衝區長度是固定的，所以只要填滿了緩衝區，即使還沒有遇到換行符，也會執行I/O系統呼叫操作，預設行緩衝區的大小為1024。

　　(3)無緩衝區：無緩衝區是指標準I/O庫不對字元進行快取，直接呼叫系統呼叫。標準出錯流stderr通常是不帶緩衝區的，這使得出錯資訊能夠儘快地顯示出來。

注：

　　①標準輸入和標準輸出裝置：當且僅當不涉及互動作用裝置時，標準輸入流和標準輸出流才是全緩衝的。

　　②標準錯誤輸出裝置：標準出錯絕不會是全緩衝方式的。

　　③對於任何一個給定的流，可以呼叫setbuf()和setvbuf()函式更改其緩衝區型別。

我們可以看到輸出到螢幕只有5條輸出命令而輸出到檔案有7條輸出命令。

根據輸出結果我們可以看出printf和fwrite重複寫了兩次，沒有重複列印的是write.。

printf和fwrite都是庫函式，而write則是系統直接呼叫的：結合已有知識，我們瞭解到當使用庫函式命令時，列印訊息並沒有直接寫到輸出位置上，而是先把資料寫到輸出緩衝區，在重新整理至輸出位置。

　　　　1、當輸出目標位置為輸出到顯示器時，則重新整理方式是行重新整理；

　　　　2、當輸出目標位置為輸出到檔案中時，重新整理方式由行緩衝變為全緩衝，全緩衝是指當把緩衝區寫滿後才能重新整理。（或者強制重新整理）程式碼中printf和fwrite第一次列印在fork操作之前，第二次列印則在fork操作之後，原因是在fork操作前，printf和fwrite的輸出命令將資料先寫到緩衝區中，此時只執行了這兩條命令，由於是全緩衝的重新整理方式，所以這兩條命令並不足以將快取寫滿，所以資料暫存在緩衝區中；然後進行fork建立子程序，由於fork創建出的父子程序程式碼共享，而資料不共享，各自私有一份，緩衝區中的資料都屬於資料，因為父程序的殘留資料還在緩衝區中，所以fork完畢後，父子程序將快取中的資料各自存一份有父程序殘留資料的資料，所以當父子程序各自重新整理時，父子程序會各自執行一次printf和fwrite的輸出命令，所以命令就從原來的兩條變為四條。

struct file 的其他重要成員有：

1.mode_t f_mode; 
檔案模式確定檔案是可讀的或者是可寫的(或者都是), 通過位 FMODE_READ 和FMODE_WRITE. 你可能想在你的 open 或者 ioctl 函式中檢查這個成員的讀寫許可, 但是不需要檢查讀寫許可, 因為核心在呼叫你的方法之前檢查. 當檔案還沒有為那種存取而開啟時讀或寫的企圖被拒絕, 驅動甚至不知道這個情況. 
2.loff_t f_pos; 
當前讀寫位置. loff_t 在所有平臺都是 64 位( 在 gcc 術語裡是 long long ). 驅動可以讀這個值,如果它需要知道檔案中的當前位置, 但是正常地不應該改變它; 讀和寫應當使用它們作為最後引數而收到的指標來更新一個位置, 代替直接作用於 filp->f_pos. 這個規則的一個例外是在 llseek 方法中, 它的目的就是改變檔案位置. 
3.unsigned int f_flags;
這些是檔案標誌, 例如 O_RDONLY, O_NONBLOCK, 和 O_SYNC. 驅動應當檢查O_NONBLOCK 標誌來看是否是請求非阻塞操作; 其他標誌很少使用. 特別地, 應當檢查讀/寫許可, 使用 f_mode 而不是f_flags. 所有的標誌在標頭檔案