Linux打开一个文件并读取内容的详细流程【inode结构体、fd文件描述符、`struct file`结构体、一个打开普通文件和一个打开设备文件的详细流程分析】

inode结构体

inode结构体概述

Linux打开一个文件中的核心点是inode结构体，所以我们就从inode结构体开始讲这个问题。

inode应该来源于“index node”的缩写，所以发音为 [aɪ noʊd]

在Linux系统中，一个文件通常对应一个inode(索引节点)，特殊情况下可能有多个文件名与一个inode对应，或者一个文件涉及多个inode，特殊情况我们不作考虑，在这里，我们只需要知道，在Linux系统中，一个文件通常对应一个inode。

inode（索引节点）是文件系统中的数据结构，存储文件的元信息（例如文件大小、权限、所有者、时间戳等），但不包含文件名。

每个文件在文件系统中都会分配一个唯一的inode。

具体来说，inode 在 Linux 内核中是一个结构体，定义在内核的源代码中，具体在头文件 include/linux/fs.h 中。它是文件系统的核心数据结构之一，用于表示文件的元数据。

struct inode 的基本结构

inode 结构体的定义包含许多字段，负责描述文件的各种属性和操作。例如：

struct inode {
   
    umode_t          i_mode;       /* 文件类型和权限 */
    unsigned short   i_opflags;    /* 操作相关标志 */
    kuid_t           i_uid;        /* 文件所有者的用户ID */
    kgid_t           i_gid;        /* 文件所有者的组ID */
    unsigned int     i_flags;      /* 文件标志 */

    const struct inode_operations *i_op; /* 文件操作方法 */
    struct super_block *i_sb;      /* 所属超级块 */
    struct address_space *i_mapping; /* 地址空间 */

    loff_t           i_size;       /* 文件大小 */
    struct timespec64 i_atime;     /* 最后访问时间 */
    struct timespec64 i_mtime;     /* 最后修改时间 */
    struct timespec64 i_ctime;     /* 状态更改时间 */

    unsigned int     i_nlink;      /* 硬链接计数 */
    ino_t            i_ino;        /* inode编号 */
    dev_t            i_rdev;       /* 主设备号和次设备号（如果是设备文件） */

	const struct file_operations *i_fop; /* 文件操作结构体,存储着诸如open,read,write等函数 */

    /* ...更多字段，用于缓存、锁、权限检查等... */
};

关键字段说明

1. i_mode：

   • 保存文件的类型（如普通文件、目录、设备文件）和权限信息。
   • 通过掩码可以检查文件类型，例如 S_ISREG 检查是否是普通文件。

2. i_uid 和 i_gid：

   • 文件的所有者用户ID和组ID。

3. i_size：

   • 文件的大小（以字节为单位）。

4. i_atime / i_mtime / i_ctime：

   • 分别表示最后访问时间、最后修改时间和元数据更改时间。

5. i_nlink：

   • 硬链接计数，指向同一个inode的目录项数量。当计数降为0时，文件数据会被释放。

6. i_op：

   • 指向一个 inode_operations 结构体，用于定义文件系统对该inode支持的操作（例如创建、删除）。

7. i_mapping：

   • 表示文件的地址空间，通常用来管理文件数据的缓存。

8. i_ino：

   • inode编号，文件系统中每个文件的唯一标识。

9. i_rdev：

   • 里面存储着主设备号和次设备号信息。

10. i_fop：

    • 文件操作结构体，它实际上就是链接着文件操作结构体，比如驱动程序中的文件操作结构体，里面定义着文件的底层打开函数、读函数、写函数等。

inode 的核心作用

1. 存储元信息：

   • 保存文件的基本属性，比如权限、