文件I/O（不带缓冲）之文件共享

UNIX系统支持在不同进程间共享打开的文件。

内核使用三种数据结构表示打开的文件，它们之间的关系决定了在文件共享方面一个进程对另一个进程可能产生的影响。

（1）每个进程在进程表中都有一个记录项，记录项中包含有一张打开文件描述符表，可将其视为一个矢量，每个描述符占用一项。与每个文件描述符相关联的是：

（a）文件描述符标志（close_on_exec）。进程中每个打开描述符都有一个执行时关闭（close_on_exec）标志，若此标志设置，则在执行exec时关闭该描述符，否则该描述符仍打开。除非特地用fcntl设置了该标志，否则系统默认操作是在执行exec后仍保持该描述符打开。

（b）指向一个文件表项的指针。

（2）内核为所有打开文件维持一张文件表。每个文件表项包含：

（a）文件状态标志（读、写、添加、同步和非阻塞等）。

（b）当前文件偏移量。

（c）指向该文件v节点表项的指针。

（3）每个打开文件（或设备）都有一个v节点（v-node）结构。v节点包含了文件类型和对此文件进行各种操作的函数的指针。对于大多数文件，v节点还包含了该文件的i节点（i-node，索引节点）。这些信息是在打开文件时从磁盘上读入内存的，所以所有关于文件的信息都是快速可供使用的。例如，i节点包含了文件的所有者、文件长度、文件所在的设备、指向文件实际数据块在磁盘上所在位置的指针等。

注：Linux没有使用v节点，而是使用了通用i节点结构。虽然两种实现有所不同，但在概念上，v节点与i节点是一样的。两者都指向文件系统特有的i节点结构。

图3-1显示了一个进程的三张表之间的关系。该进程有两个不同的打开文件：一个文件打开为标准输入（文件描述符0），另一个打开文件为标准输出（文件描述符为1）。从UNIX系统的早期版本以来，这三张表之间的基本关系一直保持至今。这中安排对于在不同进程之间共享文件的方式非常重要。

创建v节点结构的目的是对在一个计算机系统上的多个文件系统类型提供支持。这一工作是由Peter Weinberger（贝尔实验室）和Bill Joy（Sun公司）分别独立完成的。Sun称此种文件系统为虚拟文件系统（Virtual File System），称与文件系统类型无关的i节点部分为v节点。

Linux没有将相关数据结构分为i节点和v节点，而是采用了一个独立与文件系统的i节点和一个依赖于文件系统的i节点。

如果两个独立进程各自打开了同一个文件，则有图3-2中所示的安排。我们假定第一个进程在文件描述符3上打开该文件，而另一个进程则在文件描述符4上打开该文件。打开该文件的每一个进程都得到一个文件表项，但对一个给定的文件只有一个v节点表项。每个进程都有自己的文件表项的理由是：这种安排使每个进程都有它自己的对该文件的当前偏移量。

• 在完成每个write后，在文件表项中的当前文件偏移量即增加所写的字节数。如果这使当前文件偏移量超过了当前文件长度，则在i节点表项中的当前文件长度被设置为当前文件偏移量（也就是该文件加长了）。
• 如果用O_APPEND标志打开了一个文件，则相应标志也被设置到文件表项的文件状态标志中。每次对这种具有添加标志的文件执行写操作时，在文件表项中的当前文件偏移量首先被设置为i节点表项中的文件长度。这就使得每次写的数据都添加到文件的当前尾端处。
• 若一个文件用lseek定位到文件当前的尾端，则文件表项中的当前文件偏移量被设置为i节点表项中的当前文件长度。（注意，这与用O_APPEND标志打开文件是不同的。）
• lseek函数只修改文件表项中的当前文件偏移量，没有进行任何I/O操作。

可能有多个文件描述符项指向同一个文件表项。例如，使用dup函数时。在fork后也会发生同样的情况，此时父、子进程对于每一个打开文件描述符共享同一个文件表项。

注意，文件描述符标志和文件状态标志在作用域方面的区别，前者只用于一个进程的一个描述符，而后者则适用于指向该给定文件表项的任何进程中的所有描述符。

关于文件描述符标志和文件状态标志的区别更直白的解释，可参考：http://blog.csdn.net/bayji/article/details/6020459

本篇博文内容摘自《UNIX环境高级编程》（第二版），仅作个人学习记录所用。关于本书可参考：http://www.apuebook.com/。