ファイル記述子

UnixおよびUnix 系コンピュータ オペレーティング システムでは、ファイル記述子( FD、まれにfildesとも呼ばれる) は、ファイルまたはパイプやネットワーク ソケットなどのその他の入出力リソースのプロセス固有の識別子 (ハンドル)です。

ファイル記述子は通常、負でない整数値を持ち、負の値は「値なし」またはエラー状態を示すために予約されています。

ファイル記述子はPOSIX APIの一部です。各 Unixプロセス(デーモンを除く) には、3 つの標準ストリームに対応する 3 つの標準 POSIX ファイル記述子が必要です。

Unixの従来の実装では、ファイル記述子はプロセスごとにインデックス化される。カーネルによって管理されるファイル記述子テーブル。これは、すべてのプロセスによって開かれたファイルの一覧表（システム全体）にインデックスを付けます。ファイルテーブル。このテーブルは、ファイル（または他のリソース）が開かれたモード実際の基礎となるファイルを記述するinodeテーブル^[3]システムコール を介してファイル記述子をカーネルに渡し、カーネルはプロセスに代わってファイルにアクセスします。プロセスはファイルテーブルまたはinodeテーブルに直接アクセスすることはできません。

Linuxでは、プロセスで開かれているファイル記述子のセットは/proc/PID/fd/、パス でアクセスできます。ここで、 PID はプロセス識別子です。ファイル記述子/proc/PID/fd/0はstdin、/proc/PID/fd/1、stdoutです/proc/PID/fd/2。これらへのショートカットとして、実行中のプロセスは、フォルダーおよびを通じて独自のstderrファイル記述子にアクセスすることもできます。^[4]/proc/self/fd/dev/fd

Unix ライクなシステムでは、ファイル記述子はファイル システムで指定された任意の Unix ファイル タイプを参照できます。これには、通常のファイルだけでなく、ディレクトリ、ブロックデバイスと文字デバイス(「特殊ファイル」とも呼ばれます)、Unix ドメイン ソケット、名前付きパイプが含まれます。ファイル記述子は、匿名パイプやネットワーク ソケットなど、通常はファイル システムに存在しない他のオブジェクトを参照することもできます。

C 標準 I/O ライブラリの FILE データ構造には、通常、Unix 系システム上の対象オブジェクトの低レベルのファイル記述子が含まれています。全体的なデータ構造は追加の抽象化を提供し、ファイルハンドルとして知られています。

以下に、最近のUnix 系システムにおけるファイル記述子の一般的な操作を示します。これらの関数のほとんどは<unistd.h>ヘッダーで宣言されていますが、一部は<fcntl.h>ヘッダーではなく、別の場所で宣言されています。

• 開ける（）
• 作成() ^[5]
• ソケット（）
• 受け入れる（）
• ソケットペア()
• パイプ（）
• epoll_create() (Linux)
• signalfd() (Linux)
• eventfd() (Linux)
• timerfd_create() (Linux)
• memfd_create() (Linux)
• userfaultfd() (Linux)
• fanotify_init() (Linux)
• inotify_init() (Linux)
• clone() (フラグ CLONE_PIDFD 付き、Linux)
• pidfd_open() (Linux)
• open_by_handle_at() (Linux)
• kqueue() (BSD)
• pdfork() (kFreeBSD)

• dirfd()
• ファイル番号()

• 読み取り（）、書き込み（）
• readv()、writev()
• pread()、pwrite()
• 受信()、送信()
• 受信元()、送信先()
• recvmsg()、sendmsg() (Unix ドメイン ソケット経由で他のプロセスに FD を送信する場合にも使用されます)
• 受信mmsg()、送信mmsg()
• lseek()、llseek()
• fstat()
• fstatvfs()
• fchmod()
• fchown()
• ftruncate()
• fsync()
• fdatasync()
• fdopendir()
• fgetxattr()、fsetxattr() (Linux)
• flistxattr()、fremovexattr() (Linux)
• statx (Linux)
• setns (Linux)
• vmsplice() (Linux)
• pidfd_send_signal() (Linux)
• pdkill() (kFreeBSD)
• waitid() (P_PIDFD ID タイプ、Linux)
• fdopen() (stdio 関数: ファイル記述子を FILE* に変換)
• dprintf() (stdio 関数: ファイル記述子に出力)

• select()、 pselect()
• 投票()、投票()
• epoll_wait()、epoll_pwait()、epoll_pwait2() (Linux では、1 つの epoll ファイル記述子を使用して他の多くのファイル記述子を待機します)
• epoll_ctl() (Linux 用)
• kqueue() (BSD ベースのシステムの場合)。
• ファイル送信()
• splice()、 tee() (Linux 用)
• copy_file_range() (Linux 用)

fcntl ()関数は、渡されたコマンド引数に応じて、ファイル記述子に対してさまざまな操作を実行するために使用されます。ファイル記述子に関連付けられた属性を取得および設定するためのコマンドには、F_GETFD、F_SETFD、F_GETFL、F_SETFLなどがあります。

• 近い（）
• closefrom() (BSD および Solaris のみ。指定された数以上のすべてのファイル記述子を削除します)
• close_range() (Linux用) ^[6]
• dup() (既存のファイル記述子を複製し、利用可能なファイル記述子の最小番号となることを保証する)
• dup2 ()、 dup3() (必要に応じて fd1 を閉じ、ファイル記述子 fd1 が fd2 の開いているファイルを指すようにします)
• fcntl (F_DUPFD)

• fchdir() (ディレクトリファイル記述子に基づいてプロセスの現在の作業ディレクトリを設定する)
• mmap () (ファイルの範囲をプロセスのアドレス空間にマップする)

• 群れ（）
• fcntl() (F_GETLK、F_SETLK、F_SETLKW)
• ロック()

• 接続する（）
• バインド（）
• 聞く（）
• accept() (着信接続用の新しいファイル記述子を作成する)
• ソックネームを取得する()
• ピア名を取得する()
• getsockopt() 関数
• setsockopt() 関数
• シャットダウン() (全二重接続の一方または両方をシャットダウンします)

• ioctl() (多くの場合、デバイスに関連付けられた単一のファイル記述子に対するさまざまな操作の大規模なコレクション)

ファイル記述子に対する一連の新しい操作が、多くの最新の Unix 系システムや多数の C ライブラリに追加されており、POSIXの将来のバージョンで標準化される予定です。^[7]サフィックスは、関数が、相対パスatを解決するためのファイル記述子を提供する追加の最初の引数を取ることを意味し、サフィックスのない形式は、現在の作業ディレクトリに対応するファイル記述子を渡すのと同等になります。これらの新しい操作の目的は、特定の種類のTOCTOU攻撃から防御することです。 at

• オープン()
• アクセス()
• fchmodat()
• fchownat() 関数
• fstatat()
• futimesat()
• リンク()
• mkdirat()
• mknodat()
• 読み取りリンク()
• 名前変更()
• シンボリックリンク()
• リンク解除()
• mkfifoat()
• fdopendir()

Unix ファイル記述子は、多くの点で機能として動作します。システム コールを使用して、Unix ドメイン ソケットをsendmsg()介してプロセス間で渡すことができます。ただし、実際に渡されるのは、変更可能な状態 (ファイル オフセット、ファイル ステータス、アクセス フラグ) を持つ「オープン ファイル記述子」への参照であることに注意してください。これにより、ファイル記述子を機能として安全に使用することが複雑になります。プログラムが同じオープン ファイル記述へのアクセスを共有する場合、オフセットを変更したり、ブロッキングか非ブロッキングかを変更したりして、プログラムが互いの使用を妨害する可能性があるためです。^{[8] [9]}機能システムとして特別に設計されたオペレーティング システムでは、機能自体に関連付けられた変更可能な状態はほとんどありません。

Unix プロセスのファイル記述子テーブルはC リストの例です。

• フューザー (Unix)
• lsof
• ファイル制御ブロック(FCB) - CP/M および DOS の初期バージョンにおける代替スキーム