linux 中 fd 的幾點理解_linux fd-CSDN博客

通過上邊的文章，我們可以知道，在 linux 中，fd 有以下幾點需要了解：

（1）fd 表示進程打開的文件，是進程級別的資源，不是系統級別的資源

（2）struct task_struct 在內核中用于描述一個進程，其中打開的文件使用 fd table 來描述

（3）在用戶態看 linux，一些皆文件

（4）一個進程可以打開的文件個數是有限制的，使用 ulimit -a 可以查看

那么在 linux 中，當我們打開一個文件的時候，會返回一個 fd，fd 是一種資源，在內核中是怎么維護這些資源的呢 ？當關閉一個文件的時候，會釋放這個 fd，釋放的時候又是怎么釋放的呢 ？

可以想象，如果讓我們自己來實現的話，我們會選擇一個 bitmap 來維護 fd 的被使用情況。系統默認情況下，一個進程可以打開的文件個數是 1024，我們就需要維護一個長度為 1024 的 bitmap。如下圖所示，表示一個長度為 1024 的 bitmap，bitmap 的下標從 0 到 1023 表示 1024 個 fd，bitmap 中的內容 1 表示 fd 被使用，0 表示 fd 沒有被使用。下圖表示 fd 0、1、2、501 被使用，其它的 fd 沒有被使用。

那么當我們打開一個文件的時候，是怎么分配 fd 的呢，是每次都要遍歷 bitmap，從中選擇一個空閑的 fd 來返回嗎 ？這種方式是最基礎的方法，當然是可行的。缺點在于，每次都要遍歷 bitmap，如果 bitmap 0~1000 都已經被使用，1001 沒有沒使用，這個時候我們就需要做 1000 次無用的查詢，效率比較低。當我們關閉文件，釋放 fd 的時候，是比較好理解的，直接使用 fd 作為下標，找到對應的 bit，直接將該 bit 設置為 0 即可。

1 fd 上下邊界

fd 最小是 0，最大可以使用 ulimit -a 來查看。默認情況下，系統允許一個進程最多打開 1024 個文件，所以 fd 最大值為 1023。所以默認情況下，進程內的 fd 的取值范圍是 [0, 1023]。

2 申請 fd

2.1 數據結構 struct fdtable 和函數 find_next_fd

struct fdtable 中有以下幾個成員和 fd 的維護有關。

struct fdtable {// 進程能打開的文件個數的最大值unsigned int max_fds;...// bitmap，一個 bit 表示一個 fdunsigned long *open_fds;// bitmap，一個 bit 表示 BITS_PER_LONG 個 fdunsigned long *full_fds_bits;...
};

在函數 find_next_fd 中，空閑 fd 的查找分了兩步來完成：

（1）先在 full_fds_bits 中查找，如果文件個數最多是 1024 個，在 64 位機器上 long 類型長度市是 64 個 bit。那么 full_fds_bit 的長度是 16(1024/64)，第 0 bit 就能代表 open_fds 中的第 0 到第 63bit，第 1bit 能代表 open_fds 中的第 64 到 127bit，以此類推。只要第 64 到 127bit 有空閑的 fd，哪怕只有 1 個，那么在 full_fds_bit 中的第 1 bit 也會標志為空閑。

（2）在第一步中已經在 full_fds_bits 找到了空閑的 bit，這個 bit 能把查找范圍縮小到 64 個 bit 范圍之內。然后第二步中從 full_fds_bits 中查找具體空閑的 bit。

static unsigned int find_next_fd(struct fdtable *fdt, unsigned int start)
{unsigned int maxfd = fdt->max_fds;unsigned int maxbit = maxfd / BITS_PER_LONG;unsigned int bitbit = start / BITS_PER_LONG;bitbit = find_next_zero_bit(fdt->full_fds_bits, maxbit, bitbit) * BITS_PER_LONG;if (bitbit > maxfd)return maxfd;if (bitbit > start)start = bitbit;return find_next_zero_bit(fdt->open_fds, maxfd, start);
}

使用兩級 bitmap 來查找空閑的 fd，對性能做了優化。

如果使用一級 bitmap，那么查找次數平均下來要 1024 次。

使用兩級 bitmap，查找次數平均下來是 16 + 64 = 80 次。16 是第一級 map 查找的次數，64 是第二級 bitmap 查找的次數。

3 釋放 fd

釋放 fd 相對來說好理解，直接使用 fd 做下標找到 bitmap 中對應的 bit，然后將 bit 清除即可。關閉 fd 的時候，會通過函數?__put_unused_fd() 最終調用 導函數 __clear_open_fd()。

static inline void __clear_open_fd(unsigned int fd, struct fdtable *fdt)
{__clear_bit(fd, fdt->open_fds);__clear_bit(fd / BITS_PER_LONG, fdt->full_fds_bits);
}