1.1.1 文件、文件描述符和文件表
Linux内核将一切视为文件，那么Linux的文件是什么呢？
其既可以是事实上的真正的物理文件，也可以是设备、管道，甚至还可以是一块内存。
狭义的文件是指文件系统中的物理文件，而广义的文件则可以是Linux管理的所有对象。
这些广义的文件利用VFS机制，以文件系统的形式挂载在Linux内中，对外提供一致的文件操作接口。
从数值上看，文件描述符是一个非负整数，其本质就是一个句柄，所以也可以认为文件描述符就是一个文件句柄。
那么何为句柄呢？
一切对于用户透明的返回值，即可视为句柄。
重点：用户空间利用文件描述符与内核进行交互；而内核拿到文件描述符后，可以通过它得到用于管理文件的真正的数据结构。
使用文件描述符即句柄，有两个好处：
一是增加了安全性，句柄类型对用户完全透明，用户无法通过任何hacking的方式，更改句柄对应的内部结果，比如Linux内核的文件描述符，只有内核才能通过该值得到对应的文件结构；
二是增加了可扩展性，用户的代码只依赖于句柄的值，这样实际结构的类型就可以随时发生变化，与句柄的映射关系也可以随时改变，这些变化都不会影响任何现有的用户代码
Linux的每个进程都会维护一个文件表，以便维护该进程打开文件的信息，包括打开的文件个数、每个打开文件的偏移量等信息。
1.1.2 内核文件表的实现
内核中进程对应的结构是task_struct，进程的文件表保存在task_struct->files中。其结构代码如下所示。
struct files_struct {
/* count为文件表
iles_struct的引用计数*/
atomic_t count;
/* 文件描述符表
*/
/*
为什么有两个fdtable呢？这是内核的一种优化策略。fdt为指针，而fdtab为普通变量。一般情况下，fdt是指向fdtab的，当需要它的时候，才会真正动态申请内存。因为默认大小的文件表足以应付大多数情况，因此这样就可以避免频繁的内存申请。
这也是内核的常用技巧之一。在创建时，使用普通的变量或者数组，然后让指针指向它，作为默认情况使用。只有当进程使用量超过默认值时，才会动态申请内存。
*/
struct fdtable __rcu *fdt;
**
struct fdtable fdtab;
**
/*
written part on a separate cache line in SMP*/
/* 使用____cacheline_aligned_in_smp可以保证
file_lock是以cache line 对齐的，避免了false sharing */
spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
/* 用于查找下一个空闲的fd */
int next_fd;
/* 保存执行exec需要关闭的文件描述符的位图*/
struct embedded_fd_set close_on_exec_init;
/* 保存打开的文件描述符的位图
*/
struct embedded_fd_set open_fds_init;
/*
**fd_array为一个固定大小的file结构数组。struct file是内核用于文件管理的结构。这里使用默认大小的数组，就是为了可以涵盖大多数情况，避免动*态分配/
**
struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
**
};
下面看看files_struct是如何使用默认的fdtab和fd_array的，init是Linux的第一个进程，它的文件表是一个全局变量，代码如下：
struct files_struct init_files = {
.count = ATOMIC_INIT(1),
.fdt = &init_files.fdtab,
.fdtab = {
.max_fds = NR_OPEN_DEFAULT,
.fd = &init_files.fd_array[0],.close_on_exec = (fd_set *)&init_files.close_on_exec_init,
.open_fds = (fd_set *)&init_files.open_fds_init,
},
.file_lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(init_task.file_lock),
};
init_files.fdt和init_files.fdtab.fd都分别指向了自己已有的成员变量，并以此作为一个默认值。后面的进程都是从init进程fork出来的。fork的时候会调用dup_fd，而在dup_fd中其代码结构如下：
newf = kmem_cache_alloc(files_cachep, GFP_KERNEL);
if (!newf)
goto out;
atomic_set(&newf->count, 1);
spin_lock_init(&newf->file_lock);
newf->next_fd = 0;
new_fdt = &newf->fdtab;
new_fdt->max_fds = NR_OPEN_DEFAULT;
new_fdt->close_on_exec = (fd_set *)&newf->close_on_exec_init;
new_fdt->open_fds = (fd_set *)&newf->open_fds_init;
new_fdt->fd = &newf->fd_array[0];
new_fdt->next = NULL;
初始化new_fdt，同样是为了让new_fdt和new_fdt->fd指向其本身的成员变量fdtab和fd_array。
/proc/pid/status为对应pid的进程的当前运行状态，其中FDSize值即为当前进程max_fds的值。
因此，初始状态下，files_struct、fdtable和files的关系如图1-1所示。
