文件描述符、读写与零拷贝

1. FD table

进程 files_struct 指向可扩展 fdtable：

• open bitmap；
• close-on-exec bitmap；
• file **fd。

查找常用 RCU，更新在 file_lock 下。dup 共享同一 file，因此共享 f_pos 和 file status flags；独立 open 创建不同 file。

2. read/write

ksys_read/ksys_write
 -> fdget_pos()
 -> vfs_read/vfs_write
 -> rw_verify_area()
 -> new_sync_read/new_sync_write
 -> call_read_iter/call_write_iter
 -> filesystem file_operations

iov_iter 统一 user iovec、kernel vector、pipe、bvec、xarray 等数据源/目的地。

3. pread/pwrite 与 vectored I/O

• pread/pwrite 使用显式 offset，不修改共享 f_pos；
• readv/writev 使用多 iovec；
• preadv2/pwritev2 支持 NOWAIT、DSYNC、HIPRI、APPEND 等 flags，具体支持依文件系统。

4. pipe

pipe.c 使用环形 pipe_buffer：

• anonymous pipe 与 FIFO 共用主体；
• reader/writer wait queue；
• 每 buffer 由 pipe_buf_operations 管理 release/try_steal/get；
• pipe size 可由 fcntl 调整并受系统/用户限制。

5. splice

splice.c 在 file、pipe、socket 间搬运 page/folio 引用，减少用户态往返复制：

file -> splice_read -> pipe buffers -> splice_write -> target

“零拷贝”不保证 NIC/块设备或所有 filesystem 完全不复制；fallback 和 checksum/加密都可能产生复制。

6. copy_file_range/remap

• copy_file_range() 允许文件系统高效复制；
• remap_file_range() 可由 CoW 文件系统 reflink extent；
• 不支持时可能 fallback 或返回错误；
• 跨文件系统语义和限制依内核版本。

7. seek

llseek 修改 f_pos；SEEK_DATA/SEEK_HOLE 由文件系统解释。稀疏文件复制工具应使用该接口但也要处理不支持情况。

8. fsync

vfs_fsync_range() 调 file_operations->fsync。正确持久化通常要求：

1. 写文件数据；
2. fsync(file)；
3. 创建/rename/unlink 后按需要 fsync(parent directory)；
4. 底层设备正确实现 flush/FUA。

close 成功不等同于断电持久。

9. 限制与安全

• MAX_RW_COUNT 限制单次 I/O；
• access mode 和 mandatory checks；
• LSM hooks；
• append-only/immutable；
• RLIMIT_FSIZE 和 signal；
• freeze/read-only；
• user pointer fault。