一、概要
   使用者程序在能夠讀/寫一個檔案之前必須要先開啟這個檔案，從概念上說是一個程序與檔案系統之間的一種有連結的通訊，對於開啟檔案實質就是在程序和檔案之間建立起連線，而“開啟檔案號”就是唯一的標識這個連線。在檔案系統的處理當中，每當一個程序重複開啟同一個檔案時就建立起一個由file資料結構代表的獨立的上下文。通常，一個file資料結構，即一個讀/寫檔案的上下文，都是由一個“開啟檔案號”加以標識的。從上面可以看出，一個檔案的開啟與程序是有著緊密聯絡的。接下來就首先介紹程序中與檔案有關的相關結構。
二、與程序有關的檔案
（1）程序中與檔案相關的結構
  1、首先是task_struct結構，每個程序都有一個task_struct結構的物件，該物件包含了程序處理的上下文。在這裡只貼出與檔案有關的部分如下：

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1. struct task_struct{
   
2.  ...........
   
3.     struct fs_struct *fs;
   
4.     struct file_struct *files;
   
5.  ...........
   
6. }

從上面程序中與檔案有關的程式碼可以看出，在一個task_struct結構中與檔案操作有關的結構之後兩個即struct fs_struct結構物件和file_struct結構物件。下面分別講解這兩個物件的相關資訊。
  2、fs_struct結構。

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1. struct fs_struct {
   
   
2.         int users;  
   
3.         rwlock_t lock;
   
4.         int umask;
   
5.         int in_exec;
   
6.         struct path root, pwd;  //其中的root物件是用來存放根目錄的相關資訊，比如根目錄的目錄項等而pwd存放的是當前目錄的相關資訊。主要是當前目錄的目錄項物件。這兩個物件主要是在檔案路徑名解析的時候用於查詢檔案開始的目錄項。如果路徑名查詢是絕對路徑查詢，那麼就會根據root->dentry來開始查詢。而如果是相對路徑查詢就會根據pwd->dentry來進行查詢。
   
   
7. };

其中涉及到的path結構如下：

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1. struct path {
   
2.         struct vfsmount *mnt;//只有當相應的目錄為掛載目錄的時候這個變數才存放一些有關掛載的資訊
   
3.         struct dentry *dentry;//表示目錄的目錄項物件結構。
   
4. }

    3、file_struct物件

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1. struct files_struct { 
   
2.     atomic_t count; //自動增量 
   
3.     struct fdtable *fdt; 
   
4.     struct fdtable fdtab; 
   
5.     fd_set close_on_exec_init; //執行exec時
   
6. 需要關閉的檔案描述符初值集合 
   
7.     fd_set open_fds_init; //當前開啟檔案
   
8. 的檔案描述符遮蔽字 
   
9.     struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; 
   
10.     spinlock_t file_lock; 
11. };

這個資料結構中最主要的就是一個file結構指標陣列fd_array[]，該陣列的大小事固定的，即32，其下標為開啟檔案號即為檔案描述符。
這個結構中兩個重要的結構即為檔案描述符管理結構fdtable與file物件。其中fdtable物件的程式碼如下：

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1. struct fdtable {
   
2.  unsigned int max_fds; //可以代開的最大檔案數
   
3.  int max_fdset; //點陣圖的最大長度
   
4.  int next_fd; //下一個可用的fd
   
5.  struct file ** fd; /* current fd array 指向files_struct的fd_array */
   
6.  fd_set *close_on_exec;
   
7.  fd_set *open_fds; //開啟的檔案標記，比如第2位為1，則打開了2號檔案.這個欄位和close_on_exec欄位都是一個位圖的形式來進行表示的
   
8.  struct rcu_head rcu;
   
9.  struct files_struct *free_files;
   
10.  struct fdtable *next;
    
11. }

files_struct結構：該結構儲存了該程序中開啟的所有的檔案得資訊。比如檔案描述符管理表、開啟的檔案陣列等等都是表示的是該程序開啟的檔案的詳細資訊。
files_struct結構與fdtable結構的結構體如下

對於檔案結構體，其代表的是一個開啟的檔案，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。它有核心在開啟檔案時建立。同時在檔案關閉之後，核心釋放這個資料結構。
file物件的程式碼如下：

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1. struct file {
   
2.         /*
   
3.          * fu_list becomes invalid after file_free is called and queued via
   
4.          * fu_rcuhead for RCU freeing
   
5.          */
   
6.         union {
   
7.                 struct list_head fu_list;
   
8.                 struct rcu_head fu_rcuhead;
   
9.         } f_u;
   
10.         struct path f_path;//該檔案所對應的path結構，主要是存放的是該檔案的目錄項物件結構。
    
11. #define f_dentry f_path.dentry
    
12. #define f_vfsmnt f_path.mnt
    
13.         const struct file_operations *f_op;//檔案操作的指標，如果開啟的檔案存在那麼這個指標是通過dentry裡的物件來設定。而如果開啟的檔案不存在需要新建立，那麼這個指標是通過父目錄的dentry中的物件來設定。
    
14. //以下的資訊主要是通過檔案的inode節點中的資訊進行設定的     
15.    atomic_t f_count;
    
16.         unsigned int f_flags;
    
17.         mode_t f_mode;
    
18.         loff_t f_pos; //這個欄位是很重要的，表示的是檔案中的當前讀寫位置，當使用系統呼叫lseek的時候就是改變的這個欄位的值
    
19.         struct fown_struct f_owner;
    
20.         unsigned int f_uid, f_gid;
    
21.         struct file_ra_state f_ra;
    
22.         unsigned long f_version;
    
23. #ifdef CONFIG_SECURITY
    
24.         void *f_security;
    
25. #endif
    
26.         /* needed for tty driver, and maybe others */
    
27.         void *private_data;
    
28. #ifdef CONFIG_EPOLL
    
29.         /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
    
30.         struct list_head f_ep_links;
    
31.         spinlock_t f_ep_lock;
    
32. #endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
    
33.         struct address_space *f_mapping;//這個指標是想的是地址空間的物件的指標，主要是用於在page cache中進行查詢操作。
    
34. };

（2）程序中與檔案相關的各個結構的聯絡
以上就是程序環境中與檔案操作有關的所有的結構了，為了更好的理解結構之間的聯絡，下面給出各個結構之間的結構圖。


三、open函式的核心追蹤過程
   開啟檔案的系統呼叫是open（），這個系統呼叫在物理檔案系統層是通過do_sys_open()函式來實現的，其程式碼在/fs/open.c這個檔案中。其具體的程式碼如下：

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1. long do_sys_open(int dfd, const char __user *filename, int flags, umode_t mode)
   
2.  {
   
3.          struct open_flags op;
   
4.          int lookup = build_open_flags(flags, mode, &op);
   
5.          struct filename *tmp = getname(filename);//將從使用者空間傳入的路徑名複製到核心空間
   
6.          int fd = PTR_ERR(tmp);
   
7.          if (!IS_ERR(tmp)) {
   
8.                  fd = get_unused_fd_flags(flags);//獲取一個沒有使用的檔案描述符fd
   
9.                  if (fd >= 0) {
   
10.                          struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, &op, lookup);//建立file物件
    
11.                         if (IS_ERR(f)) {
    
12.                                  put_unused_fd(fd);
    
13.                                  fd = PTR_ERR(f);
    
14.                          } else {
    
15.                                  fsnotify_open(f);
    
16.                                  fd_install(fd, f);//將current->files_struct和檔案物件進行關聯
    
17.                          }
    
18.                  }
    
19.                  putname(tmp);
    
20.          }
    
21.          return fd;
    
22.  }

從上面的程式碼可以看出open（）系統呼叫的主要是由以下的函式來實現的：
（1）getname（）函式：將從使用者空間傳入的路徑名複製到核心空間。
（2）get_unused_fd_flags()函式：獲取一個沒有使用的檔案描述符fd，這個函式主要是操作fdtable結構中的相關欄位
（3）do_filp_open()函式：建立file物件,並把file物件插入到檔案系統超級塊的s_files欄位所指向的開啟檔案的連結串列。
（4）fd_install()函式：將current->files_struct和檔案物件進行關聯。
下面就分別來講解這些函式的具體操作
（1）getname（）函式：這個函式在這裡就不追蹤了。比較麻煩。
（2）get_unused_fd_flags()函式：這個函式主要是通過核心函式__alloc_fd()函式來實現的該函式的程式碼如下：

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1. /*
   
2.   * allocate a file descriptor, mark it busy.
   
3.   *功能：分配一個檔案描述符，並把它標記為忙的狀態
4.   *其中的files引數為：當前程序中的current->files變數
5.   */
   
6. int __alloc_fd(struct files_struct *files,
   
7.                unsigned start, unsigned end, unsigned flags)
   
8.  {
   
9.          unsigned int fd;
   
10.          int error;
    
11.          struct fdtable *fdt;//檔案描述符管理結構
    
12.          spin_lock(&files->file_lock);
    
13.  repeat:
    
14.          fdt = files_fdtable(files);//指向files_struct結構中的fdtable指標
    
15.         fd = start;
    
16.          if (fd < files->next_fd)//首先判斷fd是不是小於程序中下一個可用的fd，如果是則直接賦值下一個可用的fd給fd
    
17.                 fd = files->next_fd;
    
18.          if (fd < fdt->max_fds

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