fd是什么？

fd是File descriptor的缩写，即文件描述符，fd是一个非负证书，本质是一个索引值。

当打开一个文件时，内核向进程返回一个文件描述符(open系统调用返回得到)，后续read、write这个文件时，只需要用这个文件描述符来标识这个文件，将其作为参数传入read、write。

fd的不同值代表什么?

0,1,2这三个fd值已经被赋予特殊含义，分别是标准输入(STDIN_FILENO),标准输出(STDOUT_FILENO)，标准错误(STDERR_FILENO).

文件描述符的范围：0-OPEN_MAX-1,可通过ulimit -n长训当前系统上进程默认最多打开的文件描述符数量。

Linux内核中的fd

进程的抽象是基于struct task_struct结构体，task_struct中的files就是用过来管理该进程打开的所有文件的管理结构。

struct task_struct
{
    // open file information
    struct files_struct *files;
};

struct files_struct这个结构是用来管理某进程打开的所有文件的，内部的核心是一个静态数组和动态数组管理结构实现，而文件描述符fd本质上就是这个数组的索引，这样通过非负数的fd就能拿到对应的struct file结构体的地址。

/*
* Open file table structure
*/
struct files_struct {
    // 读相关字段
    atomic_t count;
    bool resize_in_progress;
    wait_queue_head_t resize_wait;

    // 打开的文件管理结构
    struct fdtable __rcu *fdt;
    struct fdtable fdtab;                      // 动态数组

    // 写相关字段
    unsigned int next_fd;
    unsigned long close_on_exec_init[1];
    unsigned long open_fds_init[1];
    unsigned long full_fds_bits_init[1];      
    struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];    // 静态数组
};

1.struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; 是一个静态数组，随着file_struct结构体分配出来，在64位系统上，静态数组大小为64
2.struct fdtable也是一个数组管理结构，是一个动态数组，数组边界是用字段描述的

这种静态+动态数组的方式是性能和资源的权衡，因为大部分进程只会打开少量的文件，所以一般情况下静态数组就够了，这样就不用另外分配内存。如果超过了静态数组的阈值，就会使用动态扩展。

struct fdtable是用来封装管理fd的结构体：

struct fdtable {
    unsigned int max_fds;
    struct file __rcu **fd;      /* current fd array */
};

fdtable.fd是一个二级指针，指向一个数组，数组元素为指针(指针类型为struct file *)。max_fds指明数组边界。

struct files_struct是属于系统级别的结构，可以共享与多个不同的进程。比如在fork的时候，父进程打开了文件，后面fork出一个子进程。这种情况就会出现共享file的场景。还有使用unix domain socket在进程间传递描述符等。

struct file

fd本质是数组索引，数组元素时struct file 结构体的指针，struct file是用来表示进程打开的文件的，在task_struct中标识一个进程打开的文件：

struct file {
    // ...
    struct path                     f_path;      // 标识文件名
    struct inode                    *f_inode;    // 是vfs的inode类型，基于具体文件系统之上的抽象封装
    const struct file_operations    *f_op;

    atomic_long_t                    f_count;
    unsigned int                     f_flags;
    fmode_t                          f_mode;
    struct mutex                     f_pos_lock;
    loff_t                           f_pos;      // 当前文件的偏移，在open的时候会设置成默认值，seek的时候可以更改，从而影响到write/read的位置。
    struct fown_struct               f_owner;
    // ...
};

总结

1.用户open文件得到一个非负数句柄fd，之后针对改文件的IO操作都是基于这个fd

2.文件描述符fd本质上讲就是数组索引，fd等于5，对应数组的第5个元素，数组是进程打开的所有文件的数组，数组元素类型为struct file;

3.结构体task_struct对应一个抽象的进程，files_struct是这个进程管理该进程打开的文件数组管理器。fd对应着数组的编号，每一个打开的文件用file结构体表示，内含当前偏移等信息。

4.file结构体可以为进程间共享，属于系统级资源，同一个文件可能对应多个file结构体，file内部有个inode指针，指向文件系统的inode

5.inode是文件系统界别概念，只由文件系统管理维护，不因进程改变(file是进程触发创建的，进程open同一个文件会导致多个file，指向同一个inode)

参考文章：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/364617329