010 Linux文件系统数据结构详解：文件对象struct file

struct file是Linux文件系统中的一个重要数据结构，用于表示进程打开的文件，也就是文件对象，struct file是已打开的文件在内存中的表示，存储了与文件操作和状态相关的信息。

通过file对象就可以获取当前文件的目录项和索引节点，通过files_struct这个纽带，就把进程了和文件系统对接起来了。那么文件系统给进程呈现的是什么信息呢？

一、文件对象结构体

上面说了struct file表示进程的打开的文件，所以这个结构体是在内存中构造出来的，所以呢它只有内存结构。

一个物理文件可以被打开多次，可以被多个进程打开，所以一个物理文件可能对应多个文件对象，但是一个文件对象肯定属于某一个物理文件，也就是说一个文件对象对应一个索引节点和目录项，但是一个索引节点和目录项，可能有多个打开的文件对象。

以下是完整的stuct file结构体，里面包含了链表、f_path、索引节点、以及操作表等。

struct file {
	union {
		struct llist_node	fu_llist;
		struct rcu_head 	fu_rcuhead;
	} f_u;
	struct path		f_path;
	struct inode		*f_inode;	/* cached value */
	const struct file_operations	*f_op;

	/*
	 * Protects f_ep, f_flags.
	 * Must not be taken from IRQ context.
	 */
	spinlock_t		f_lock;
	enum rw_hint		f_write_hint;
	atomic_long_t		f_count;
	unsigned int 		f_flags;
	fmode_t			f_mode;
	struct mutex		f_pos_lock;
	loff_t			f_pos;
	struct fown_struct	f_owner;
	const struct cred	*f_cred;
	struct file_ra_state	f_ra;

	u64			f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
	void			*f_security;
#endif
	/* needed for tty driver, and maybe others */
	void			*private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL
	/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
	struct hlist_head	*f_ep;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
	struct address_space	*f_mapping;
	errseq_t		f_wb_err;
	errseq_t		f_sb_err; /* for syncfs */
} __randomize_layout
  __attribute__((aligned(4)));

字段	涵义	使用说明
fu_llist	文件链表节点	用于将当前打开的文件链入全局文件链表delayed_fput_list
fu_rcuhead	RCU（Read-Copy-Update）链表表头
f_path	struct path类型，里面包含了文件系统挂载点信息vfsmount，同时链接到当前文件对应的目录项dentry	struct path {     struct vfsmount *mnt;     struct dentry *dentry; }
f_inode	文件对象缓存的索引节点信息
f_op	指向文件操作表struct file_operations	文件操作表包含读取、写入、打开、释放等文件操作的函数指针
f_lock	自旋锁	保护f_ep, f_flags两个标志位
f_write_hint	对文件的写入操作的提示，用于优化写入操作	WRITE_LIFE_NOT_SET WRITE_LIFE_NONE WRITE_LIFE_SHORT WRITE_LIFE_MEDIUM WRITE_LIFE_LONG WRITE_LIFE_EXTREME u8         i_write_hint;
f_count	文件引用计数器，跟踪文件对象使用情况	当计数器为0时，可以安全地释放文件对象
f_flags	文件自身的标志位，打开文件后可以获取	fcntl.h #define O_ACCMODE   00000003 #define O_RDONLY    00000000 #define O_WRONLY    00000001 #define O_RDWR      00000002 ……
f_mode	用户期望的文件打开方式，在打开文件时指定	fs.h FMODE_READ FMODE_WRITE FMODE_LSEEK FMODE_PREAD
f_pos_lock	文件位置操作的互斥锁	更新文件位置时使用
f_pos	跟踪文件中当前的读写位置（偏移量）	随着从文件读取或写入数据，该位置将被更新
f_owner	标识当前打开文件所属的进程信息	struct fown_struct { rwlock_t lock; struct pid *pid; enum pid_type pid_type; kuid_t uid, euid; int signum; };
f_cred	指向与文件相关联的用户凭证信息	查看cred.h
f_ra	记录文件的预读信息	struct file_ra_state { pgoff_t start; unsigned int size; unsigned int async_size; unsigned int ra_pages; unsigned int mmap_miss; loff_t prev_pos; };
f_version	版本号	当f_pos改变时候，version递增
private_data	私有数据	在设备驱动中被广泛应用，大多被指向设备驱动自定义用于描述设备的结构体
f_ep	fs/eventpoll.c使用
f_mapping	文件地址映射对象	用于将文件直接映射到内存中，以便快速、有效地访问文件数据。‌f_mapping结构包含了与文件映射相关的各种信息，例如文件的起始位置、大小、访问权限等‌‌
f_wb_err	记录写入错误信息
f_sb_err	记录syncfs错误信息

二、文件对象操作表

由于file对象表示进程打开的文件，所以文件对象操作表f_op主要是关于文件操作，比如：llseek、read、write、flush、fsync等等，以下会详细解读

struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, struct io_comp_batch *,
			unsigned int flags);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
	__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	unsigned long mmap_supported_flags;
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
	int (*release) (struct inode *, struct file *);
	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
	int (*fasync) (int, struct file *, int);
	int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
	unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
	int (*check_flags)(int);
	int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
	ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
	int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
	long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
			  loff_t len);
	void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
	unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
	ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
			loff_t, size_t, unsigned int);
	loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,
				   struct file *file_out, loff_t pos_out,
				   loff_t len, unsigned int remap_flags);
	int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;

函数	涵义	使用说明
llseek	移动文件指针
read	用户读操作时，会调用此函数
write	会写操作时，会调用此函数
read_iter	使用迭代器iov_iter读操作
write_iter	使用iovec迭代iov_iter写操作
iopoll	当aio想要在HIPRI iocbs上轮询完成情况时调用
iterate
iterate_shared	用于VFS读取目录信息
poll	当进程要check当前文件上是否有活动，也就是select(2) 和poll系统调用，触发VFS调用此函数
unlocked_ioctl	ioctl(2)系统调用，触发回调此函数
compat_ioctl	ioctl(2)系统调用，并且32位系统使用64位内核，触发回调此函数
mmap	mmap(2)系统调用，触发回调此函数
open	VFS当创建文件对象后，触发回调此函数	比如：可以在此函数中，设置private_data
flush	当调用close操作时，flush缓冲区
release	当前文件最后一个引用关闭时，触发回调此函数
fsync	用户调用fsync(2)系统调用时，触发回调此函数
fasync	用户调用fcntl(2)系统调用，并且是异步非阻塞，触发回调此函数
lock	用户调用fcntl(2)系统调用，请求命令F_GETLK, F_SETLK, and F_SETLKW，触发回调此函数
sendpage
get_unmapped_area
check_flags
flock	用户调用flock(2)系统调用，回调此函数
splice_write	由VFS调用，将数据从管道拼接写到文件	由系统调用splice(2)触发
splice_read	由VFS调用，将数据从文件拼接读到管道	由系统调用splice(2)触发
setlease	VFS调用设置或释放租约锁，
fallocate	由VFS调用以预分配块空间或预打洞
show_fdinfo
mmap_capabilities
copy_file_range	copy_file_range(2)系统调用，触发回调此函数
remap_file_range	由ioctl（2）系统调用触发，回调此函数	当需要FICLONERANG、FICLONE和FIDEDUPERANG命令来重新映射文件范围时
fadvise	fadvise64()系统调用，触发回调此函数

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参考资料：

小立爱学习：https://blog.csdn.net/weixin_45030965/article/details/133805594