[系统运维]鸿蒙内核源码分析(文件句柄篇) | 深挖应用操作文件的细节 | 百篇博客分析OpenHarmony源码 | v69.01

百篇博客系列篇.本篇为:

v69.xx 鸿蒙内核源码分析(文件句柄篇) | 深挖应用操作文件的细节 | 51 .c .h .o

文件系统相关篇为:

• v62.xx 鸿蒙内核源码分析(文件概念篇) | 为什么说一切皆是文件 | 51 .c .h .o
• v63.xx 鸿蒙内核源码分析(文件系统篇) | 用图书管理说文件系统 | 51 .c .h .o
• v64.xx 鸿蒙内核源码分析(索引节点篇) | 谁是文件系统最重要的概念 | 51 .c .h .o
• v65.xx 鸿蒙内核源码分析(挂载目录篇) | 为何文件系统需要挂载 | 51 .c .h .o
• v66.xx 鸿蒙内核源码分析(根文件系统) | 先挂到/上的文件系统 | 51 .c .h .o
• v67.xx 鸿蒙内核源码分析(字符设备篇) | 字节为单位读写的设备 | 51 .c .h .o
• v68.xx 鸿蒙内核源码分析(VFS篇) | 文件系统和谐共处的基础 | 51 .c .h .o
• v69.xx 鸿蒙内核源码分析(文件句柄篇) | 深挖应用操作文件的细节 | 51 .c .h .o

句柄 | handle

int open(const char* pathname,int flags);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
int close(int fd);

只要写过应用程序代码操作过文件不会陌生这几个函数,文件操作的几个关键步骤嘛,跟把大象装冰箱分几步一样.先得把冰箱门打开,再把大象放进去,再关上冰箱门.其中最重要的一个参数就是fd,应用程序所有对文件的操作都基于它.fd可称为文件描述符,或者叫文件句柄(handle),个人更愿意称后者. 因为更形象,handle英文有手柄的意思,跟开门一样,握住手柄才能开门,手柄是进门关门的抓手.映射到文件系统,fd是应用层出入内核层的抓手.句柄是一个数字编号, open | creat去申请这个编号,内核会创建文件相关的一系列对象,返回编号,后续通过编号就可以操作这些对象.原理就是这么的简单,本篇将从fd入手,跟踪文件操作的整个过程.

请记住,鸿蒙内核中，在不同的层面会有两种文件句柄:

• 系统文件句柄(sysfd),由内核统一管理,和进程文件句柄形成映射关系,一个sysfd可以被多个profd映射,也就是说打开一个文件只会占用一个sysfd,但可以占用多个profd,即一个文件被多个进程打开.
• 进程文件句柄(profd),由进程管理的叫进程文件句柄,内核对不同进程中的fd进行隔离，即进程只能访问本进程的fd.举例说明之间的关系:

  文件            sysfd     profd
  吃个桃桃.mp4        10    13(A进程)
  吃个桃桃.mp4        10    3(B进程)
  容嬷嬷被冤枉.txt    12    3(A进程)
  容嬷嬷被冤枉.txt    12    3(C进程)
  

进程文件句柄

在鸿蒙一个进程默认最多可以有256个fd,即最多可打开256个文件.文件也是资源的一种,系列篇多次说过进程是管理资源的,所以在进程控制块中能看到文件的影子files_struct. files_struct可理解为进程的文件管理器,里面只放和本进程相关的文件,线程则共享这些文件.另外子进程也会拷贝一份父进程的files_struct到自己的files_struct上,在父子进程篇中也讲过fork的本质就是拷贝资源,其中就包括了文件内容.

//进程控制块
typedef struct ProcessCB {
    //..
    #ifdef LOSCFG_FS_VFS
        struct files_struct *files;        /**< Files held by the process */ //进程所持有的所有文件，注者称之为进程的文件管理器
    #endif	//每个进程都有属于自己的文件管理器,记录对文件的操作. 注意:一个文件可以被多个进程操作
} LosProcessCB;
struct files_struct {//进程文件表结构体
    int count;				//持有的文件数量
    struct fd_table_s *fdt; //持有的文件表
    unsigned int file_lock;	//文件互斥锁
    unsigned int next_fd;	//下一个fd
#ifdef VFS_USING_WORKDIR
    spinlock_t workdir_lock;	//工作区目录自旋锁
    char workdir[PATH_MAX];		//工作区路径,最大 256个字符
#endif
};

fd_table_s为files_struct的成员,负责记录所有进程文件句柄的信息,个人觉得鸿蒙这块的实现有点乱,没有封装好.

struct fd_table_s {//进程fd表结构体
    unsigned int max_fds;//进程的文件描述符最多有256个
    struct file_table_s *ft_fds; /* process fd array associate with system fd *///系统分配给进程的FD数组 ,fd 默认是 -1
    fd_set *proc_fds;	//进程fd管理位,用bitmap管理FD使用情况,默认打开了 0,1,2	       (stdin,stdout,stderr)
    fd_set *cloexec_fds;
    sem_t ft_sem; /* manage access to the file table */ //管理对文件表的访问的信号量
};

file_table_s 记录进程fd和系统fd之间的绑定或者说映射关系

struct file_table_s {//进程fd <--> 系统fd绑定
    intptr_t sysFd; /* system fd associate with the tg_filelist index */
};

fd_set实现了进程fd按位图管理,系列操作为 FD_SET,FD_ISSET,FD_CLR,FD_ZERO
除以8是因为 char类型占8个bit位.请尝试去理解下按位操作的具体实现.

typedef struct fd_set
{
  unsigned char fd_bits [(FD_SETSIZE+7)/8];
} fd_set;
#define FD_SET(n, p)  FDSETSAFESET(n, (p)->fd_bits[((n)-LWIP_SOCKET_OFFSET)/8] = (u8_t)((p)->fd_bits[((n)-LWIP_SOCKET_OFFSET)/8] |  (1 << (((n)-LWIP_SOCKET_OFFSET) & 7))))
#define FD_CLR(n, p)  FDSETSAFESET(n, (p)->fd_bits[((n)-LWIP_SOCKET_OFFSET)/8] = (u8_t)((p)->fd_bits[((n)-LWIP_SOCKET_OFFSET)/8] & ~(1 << (((n)-LWIP_SOCKET_OFFSET) & 7))))
#define FD_ISSET(n,p) FDSETSAFEGET(n, (p)->fd_bits[((n)-LWIP_SOCKET_OFFSET)/8] &   (1 << (((n)-LWIP_SOCKET_OFFSET) & 7)))
#define FD_ZERO(p)    memset((void*)(p), 0, sizeof(*(p)))

vfs_procfd.c 为进程文件句柄实现文件,每个进程的 0,1,2 号 fd是由系统占用并不参与分配,即为大家熟知的:

• STDIN_FILENO(fd = 0) 标准输入 接收键盘的输入
• STDOUT_FILENO(fd = 1) 标准输出 向屏幕输出
• STDERR_FILENO(fd = 2) 标准错误 向屏幕输出

/* minFd should be a positive number,and 0,1,2 had be distributed to stdin,stdout,stderr */
    if (minFd < MIN_START_FD) {
        minFd = MIN_START_FD;
    }
//分配进程文件句柄
static int AssignProcessFd(const struct fd_table_s *fdt, int minFd)
{
    if (fdt == NULL) {
        return VFS_ERROR;
    }
    if (minFd >= fdt->max_fds) {
        set_errno(EINVAL);
        return VFS_ERROR;
    }
	//从表中搜索未使用的 fd
    /* search unused fd from table */
    for (int i = minFd; i < fdt->max_fds; i++) {
        if (!FD_ISSET(i, fdt->proc_fds)) {
            return i;
        }
    }
    set_errno(EMFILE);
    return VFS_ERROR;
}
//释放进程文件句柄
void FreeProcessFd(int procFd)
{
    struct fd_table_s *fdt = GetFdTable();

    if (!IsValidProcessFd(fdt, procFd)) {
        return;
    }
    FileTableLock(fdt);
    FD_CLR(procFd, fdt->proc_fds);	//相应位清0
    FD_CLR(procFd, fdt->cloexec_fds);
    fdt->ft_fds[procFd].sysFd = -1;	//解绑系统文件描述符
    FileTableUnLock(fdt);
}

• 分配和释放的算法很简单,由位图的相关操作完成.
• fdt->ft_fds[i].sysFd中的i代表进程的fd,-1代表没有和系统文件句柄绑定.
• 进程文件句柄和系统文件句柄的意义和关系在 (VFS篇)中已有说明,此处不再赘述,请自行前往翻看.

系统文件句柄

系统文件句柄的实现类似,但它并不在鸿蒙内核项目中,而是在NuttX项目的 fs_files.c 中, 因鸿蒙内核项目中使用了其他第三方的项目,所以需要加进来一起研究才能看明白鸿蒙整个内核的完整实现.具体涉及的子系统仓库如下:

• 子系统注解仓库

  在给鸿蒙内核源码加注过程中发现仅仅注解内核仓库还不够,因为它关联了其他子系统,若对这些子系统不了解是很难完整的注解鸿蒙内核,所以也对这些关联仓库进行了部分注解,这些仓库包括:

  • 编译构建子系统 | build_lite
  • 协议栈 | lwip
  • 文件系统 | NuttX
  • 标准库 | musl

• 同样由位图来管理系统文件句柄,具体相关操作如下

//用 bitmap 数组来记录文件描述符的分配情况,一位代表一个SYS FD
static unsigned int bitmap[CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS / 32 + 1] = {0};
//设置指定位值为 1
static void set_bit(int i, void *addr)
{
  unsigned int tem = (unsigned int)i >> 5; /* Get the bitmap subscript */
  unsigned int *addri = (unsigned int *)addr + tem;
  unsigned int old = *addri;
  old = old | (1UL << ((unsigned int)i & 0x1f)); /* set the new map bit */
  *addri = old;
}
//获取指定位,看是否已经被分配
bool get_bit(int i)
{
  unsigned int *p = NULL;
  unsigned int mask;

  p = ((unsigned int *)bitmap) + (i >> 5); /* Gets the location in the bitmap */
  mask = 1 << (i & 0x1f); /* Gets the mask for the current bit int bitmap */
  if (!(~(*p) & mask)){
    return true;
  }
  return false;
}

• tg_filelist是全局系统文件列表,统一管理系统fd,其中的关键结构体是 file,这才是内核对文件对象描述的实体,是本篇最重要的内容.

  #if CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS > 0
  struct filelist tg_filelist; //全局统一管理系统文件句柄
  #endif
  struct filelist
  {
    sem_t   fl_sem;               /* Manage access to the file list */
    struct file fl_files[CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS];
  };
  struct file
  {
    unsigned int         f_magicnum;  /* file magic number */
    int                  f_oflags;    /* Open mode flags */
    struct Vnode         *f_vnode;    /* Driver interface */
    loff_t               f_pos;       /* File position */
    unsigned long        f_refcount;  /* reference count */
    char                 *f_path;     /* File fullpath */
    void                 *f_priv;     /* Per file driver private data */
    const char           *f_relpath;  /* realpath */
    struct page_mapping  *f_mapping;  /* mapping file to memory */
    void                 *f_dir;      /* DIR struct for iterate the directory if open a directory */
    const struct file_operations_vfs *ops;
    int fd;
  };
  

  • f_magicnum魔法数字,每种文件格式不同魔法数字不同,gif是47 49 46 38,png是89 50 4e 47
  • f_oflags 操作文件的权限模式,读/写/执行
  • f_vnode 对应的vnode
  • f_pos 记录操作文件的当前位置
  • f_refcount 文件被引用的次数,即文件被所有进程打开的次数.
  • f_priv 文件的私有数据
  • f_relpath 记录文件的真实路径
  • f_mapping 记录文件和内存的映射关系,这个在文件映射篇中有详细介绍.
  • ops 对文件内容的操作函数
  • fd 文件句柄编号,系统文件句柄是唯一的,一直到申请完为止,当f_refcount为0时,内核将回收fd.

open | creat | 申请文件句柄

通过文件路径名pathname获取文件句柄,鸿蒙实现过程如下

SysOpen //系统调用
    AllocProcessFd  //分配进程文件句柄
    do_open //向底层打开文件
        fp_open //vnode 层操作
            files_allocate
            filep->ops->open(filep) //调用各文件系统的函数指针
    AssociateSystemFd //绑定系统文件句柄

建一个file对象,i即为分配到的系统文件句柄.

//创建系统文件对象及分配句柄
int files_allocate(struct Vnode *vnode_ptr, int oflags, off_t pos, void *priv, int minfd)
  //...
  while (i < CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS)//系统描述符
    {
      p = ((unsigned int *)bitmap) + (i >> 5); /* Gets the location in the bitmap */
      mask = 1 << (i & 0x1f); /* Gets the mask for the current bit int bitmap */
      if ((~(*p) & mask))//该位可用于分配
        {
          set_bit(i, bitmap);//占用该位
          list->fl_files[i].f_oflags   = oflags;
          list->fl_files[i].f_pos      = pos;//偏移位
          list->fl_files[i].f_vnode    = vnode_ptr;//vnode
          list->fl_files[i].f_priv     = priv;//私有数据
          list->fl_files[i].f_refcount = 1;	//引用数默认为1
          list->fl_files[i].f_mapping  = NULL;//暂无映射
          list->fl_files[i].f_dir      = NULL;//暂无目录
          list->fl_files[i].f_magicnum = files_magic_generate();//魔法数字
          process_files = OsCurrProcessGet()->files;//获取当前进程文件管理器
          return (int)i;
        }
      i++;
    }
    // ...
}

read | write

SysRead   //系统调用|读文件:从文件中读取nbytes长度的内容到buf中(用户空间)
  fd = GetAssociatedSystemFd(fd); //通过进程fd获取系统fd
  read(fd, buf, nbytes);  //调用系统fd层的读函数
    fs_getfilep(fd, &filep);  //通过系统fd获取file对象
    file_read(filep, buf, nbytes) //调用file层的读文件
      ret = (int)filep->ops->read(filep, (char *)buf, (size_t)nbytes);//调用具体文件系统的读操作

SysWrite   //系统调用|写文件:将buf中(用户空间)nbytes长度的内容写到文件中
  fd = GetAssociatedSystemFd(fd); //通过进程fd获取系统fd
  write(sysfd, buf, nbytes);  //调用系统fd层的写函数
    fs_getfilep(fd, &filep);  //通过系统fd获取file对象
    file_seek64
    file_write(filep, buf, nbytes);//调用file层的写文件
      ret = filep->ops->write(filep, (const char *)buf, nbytes);//调用具体文件系统的写操作

此处仅给出 file_write 的实现

ssize_t file_write(struct file *filep, const void *buf, size_t nbytes)
{
  int ret;
  int err;

  if (buf == NULL)
    {
      err = EFAULT;
      goto errout;
    }

  /* Was this file opened for write access? */

  if ((((unsigned int)(filep->f_oflags)) & O_ACCMODE) == O_RDONLY)
    {
      err = EACCES;
      goto errout;
    }

  /* Is a driver registered? Does it support the write method? */

  if (!filep->ops || !filep->ops->write)
    {
      err = EBADF;
      goto errout;
    }

  /* Yes, then let the driver perform the write */

  ret = filep->ops->write(filep, (const char *)buf, nbytes);
  if (ret < 0)
    {
      err = -ret;
      goto errout;
    }

  return ret;

errout:
  set_errno(err);
  return VFS_ERROR;
}      

close

//关闭文件句柄
int SysClose(int fd)
{
    int ret;

    /* Process fd convert to system global fd */
    int sysfd = DisassociateProcessFd(fd);//先解除关联

    ret = close(sysfd);//关闭文件,个人认为应该先 close - > DisassociateProcessFd 
    if (ret < 0) {//关闭失败时
        AssociateSystemFd(fd, sysfd);//继续关联
        return -get_errno();
    }
    FreeProcessFd(fd);//释放进程fd
    return ret;
}

• 解除进程fd和系统fd的绑定关系
• close时会有个判断,这个文件的引用数是否为0,只有为0才会真正的执行_files_close

  int files_close_internal(int fd, LosProcessCB *processCB)
  {
    //...
    list->fl_files[fd].f_refcount--;
    if (list->fl_files[fd].f_refcount == 0)
      {
  #ifdef LOSCFG_KERNEL_VM
        dec_mapping_nolock(filep->f_mapping);
  #endif
        ret = _files_close(&list->fl_files[fd]);
        if (ret == OK)
          {
            clear_bit(fd, bitmap);
          }
      }
    // ... 
  }
  static int _files_close(struct file *filep)
  {
    struct Vnode *vnode = filep->f_vnode;
    int ret = OK;
  
    /* Check if the struct file is open (i.e., assigned an vnode) */
    if (filep->f_oflags & O_DIRECTORY)
      {
        ret = closedir(filep->f_dir);
        if (ret != OK)
          {
            return ret;
          }
      }
    else
      {
        /* Close the file, driver, or mountpoint. */
        if (filep->ops && filep->ops->close)
          {
            /* Perform the close operation */
  
            ret = filep->ops->close(filep);
            if (ret != OK)
              {
                return ret;
              }
          }
        VnodeHold();
        vnode->useCount--;
        /* Block char device is removed when close */
        if (vnode->type == VNODE_TYPE_BCHR)
          {
            ret = VnodeFree(vnode);
            if (ret < 0)
              {
                PRINTK("Removing bchar device %s failed\n", filep->f_path);
              }
          }
        VnodeDrop();
      }
  
    /* Release the path of file */
  
    free(filep->f_path);
  
    /* Release the file descriptor */
  
    filep->f_magicnum = 0;
    filep->f_oflags   = 0;
    filep->f_pos      = 0;
    filep->f_path     = NULL;
    filep->f_priv     = NULL;
    filep->f_vnode    = NULL;
    filep->f_refcount = 0;
    filep->f_mapping  = NULL;
    filep->f_dir      = NULL;
  
    return ret;
  }    
  

• 最后FreeProcessFd负责释放该文件在进程层面占用的资源

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