【操作系统百科】fd 表与 struct file

用户态只看到 int fd；内核用 files_struct → fdtable → struct file 三层把 fd 映射到打开文件。fork、exec、dup、close 的语义都在这三层上演。

一、先看图

flowchart TD
    PROC[进程 task_struct] --> FS[files_struct]
    FS --> FDT[fdtable<br/>fd → file* 数组]
    FDT -->|fd=0| F0[struct file: stdin]
    FDT -->|fd=3| F3[struct file: socket]
    FDT -->|fd=4| F4[struct file: /tmp/data]
    F0 --> DENTRY0[dentry → inode]
    F3 --> SOCK[socket]
    F4 --> DENTRY4[dentry → inode]
    classDef proc fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef file fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class PROC,FS,FDT proc
    class F0,F3,F4 file

二、files_struct

struct files_struct {
    atomic_t count;             // 引用计数（clone CLONE_FILES 共享）
    struct fdtable __rcu *fdt;
    struct fdtable fdtab;       // 内联小表（初始 64 个 fd）
    spinlock_t file_lock;
    unsigned int next_fd;       // 下一个分配的 fd 号
    struct embedded_fd_set close_on_exec_init;
    struct embedded_fd_set open_fds_init;
};

• fork 不带 CLONE_FILES → 复制一份 files_struct（子进程有独立 fd 表）
• clone 带 CLONE_FILES → 共享同一个 files_struct（线程组内共享 fd 表）

三、fdtable

struct fdtable {
    unsigned int max_fds;       // 当前容量
    struct file __rcu **fd;     // fd → struct file 指针数组
    unsigned long *close_on_exec; // bitmap
    unsigned long *open_fds;      // bitmap
};

fd 号就是数组下标。分配新 fd 时找 open_fds 中最小的空位。

扩容：初始 64 → 256 → 1024 → … RCU 安全替换。

四、fork/exec 的 fd 语义

4.1 fork

子进程获得 fd 表的副本——fd 号相同、指向同一个 struct file（引用计数+1）。

→ 父子共享 file offset（同一 f_pos）→ 交替 write 会交错。

4.2 exec

exec 关闭所有 close_on_exec 位为 1 的 fd。

int fd = open("/tmp/data", O_RDWR | O_CLOEXEC);  // exec 时自动关

4.3 O_CLOEXEC 默认化趋势

不设 O_CLOEXEC → exec 后 fd 泄漏到子进程 → 安全隐患。

现代 API 默认 CLOEXEC：

• pipe2(fds, O_CLOEXEC)
• accept4(sockfd, &addr, &addrlen, SOCK_CLOEXEC)
• epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC)
• signalfd4, eventfd2, timerfd_create 均支持

五、dup / dup2 / dup3

int new_fd = dup(old_fd);           // 最小空闲 fd
int new_fd = dup2(old_fd, target);  // 强制复制到 target
int new_fd = dup3(old_fd, target, O_CLOEXEC);

dup 后两个 fd 指向同一个 struct file → 共享 offset、flags。

六、close_range（5.9+）

close_range(3, ~0U, CLOSE_RANGE_CLOEXEC);
// 把 fd 3 到最大全部标记 CLOEXEC

close_range(3, ~0U, 0);
// 直接关掉 fd 3 到最大

一次批量操作——比循环 close 快几个数量级。systemd、Go runtime 已采用。

七、pidfd_getfd（5.6+）

int pidfd = pidfd_open(target_pid, 0);
int stolen_fd = pidfd_getfd(pidfd, target_fd, 0);

跨进程”偷” fd——等价于 SCM_RIGHTS 但更安全（不需要 socket）。

调试/监控进程的 fd 不再需要 /proc/pid/fd/N + open。

八、file 引用计数

struct file {
    atomic_long_t f_count;
};

• open → f_count = 1
• dup / fork → f_count++
• close → f_count– → =0 时 fput() 真正释放

fput 实际在 task_work 里延迟执行——确保 RCU 宽限期。

九、RLIMIT_NOFILE

ulimit -n         # 当前进程最大 fd 数
cat /proc/sys/fs/nr_open   # 系统硬上限（默认 1048576）
cat /proc/sys/fs/file-max  # 系统级 struct file 上限
cat /proc/sys/fs/file-nr   # 已分配 / 空闲 / 上限

常见生产问题：Too many open files → 调 ulimit 或 systemd LimitNOFILE。

十、观察

ls -la /proc/$$/fd/         # 看进程打开的 fd
cat /proc/$$/fdinfo/3       # fd 3 的详细信息（pos、flags、mnt_id）

# 系统全局
cat /proc/sys/fs/file-nr

# 每进程
ls /proc/$$/fd | wc -l

十一、小结

• fd 是 fdtable 数组的下标 → struct file → dentry → inode
• fork 复制 fd 表但共享 struct file（共享 offset）
• O_CLOEXEC 是安全默认
• close_range 批量关 fd
• pidfd_getfd 跨进程传 fd

参考文献

• include/linux/fdtable.h、fs/file.c
• Documentation/filesystems/files.rst
• Christian Brauner, “close_range().” LWN.net 2020
• man 2 openat2、man 2 pidfd_getfd

工具

• /proc/$$/fd/、/proc/$$/fdinfo/
• lsof -p $$
• ls -la /proc/$$/fd
• strace -e close,openat,dup2

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