文件描述符的操作(如: open)返回的是一個(gè)文件描述符,內(nèi)核會(huì)在每個(gè)進(jìn)程空間中維護(hù)一個(gè)文件描述符表, 所有打開的文件都將通過此表中的文件描述符來引用;
而流(如: fopen)返回的是一個(gè)FILE結(jié)構(gòu)指針, FILE結(jié)構(gòu)是包含有文件描述符的，F(xiàn)ILE結(jié)構(gòu)函數(shù)可以看作是對(duì)fd直接操作的系統(tǒng)調(diào)用的封裝, 它的優(yōu)點(diǎn)是帶有I/O緩存

Linux支持各種各樣的文件系統(tǒng)格式，如ext2、ext3、reiserfs、FAT、NTFS、iso9660等等，不同的磁盤分區(qū)、光盤或其它存儲(chǔ)設(shè)備都有不同的文件系統(tǒng)格式，然而這些文件系統(tǒng)都可以mount到某個(gè)目錄下，使我們看到一個(gè)統(tǒng)一的目錄樹，各種文件系統(tǒng)上的目錄和文件我們用ls命令看起來是一樣的，讀寫操作用起來也都是一樣的，這是怎么做到的呢？Linux內(nèi)核在各種不同的文件系統(tǒng)格式之上做了一個(gè)抽象層，使得文件、目錄、讀寫訪問等概念成為抽象層的概念，因此各種文件系統(tǒng)看起來用起來都一樣，這個(gè)抽象層稱為虛擬文件系統(tǒng)（VFS，Virtual Filesystem）。上一節(jié)我們介紹了一種典型的文件系統(tǒng)在磁盤上的存儲(chǔ)布局，這一節(jié)我們介紹運(yùn)行時(shí)文件系統(tǒng)在內(nèi)核中的表示。

Linux內(nèi)核的VFS子系統(tǒng)可以圖示如下：

每個(gè)進(jìn)程在PCB（Process Control Block）即進(jìn)程控制塊中都保存著一份文件描述符表，文件描述符就是這個(gè)表的索引，文件描述表中每個(gè)表項(xiàng)都有一個(gè)指向已打開文件的指針，現(xiàn)在我們明確一下：已打開的文件在內(nèi)核中用file結(jié)構(gòu)體表示，文件描述符表中的指針指向file結(jié)構(gòu)體。

在file結(jié)構(gòu)體中維護(hù)File Status Flag（file結(jié)構(gòu)體的成員f_flags）和當(dāng)前讀寫位置（file結(jié)構(gòu)體的成員f_pos）。在上圖中，進(jìn)程1和進(jìn)程2都打開同一文件，但是對(duì)應(yīng)不同的file結(jié)構(gòu)體，因此可以有不同的File Status Flag和讀寫位置。file結(jié)構(gòu)體中比較重要的成員還有f_count，表示引用計(jì)數(shù)（Reference Count），后面我們會(huì)講到，dup、fork等系統(tǒng)調(diào)用會(huì)導(dǎo)致多個(gè)文件描述符指向同一個(gè)file結(jié)構(gòu)體，例如有fd1和fd2都引用同一個(gè)file結(jié)構(gòu)體，那么它的引用計(jì)數(shù)就是2，當(dāng)close(fd1)時(shí)并不會(huì)釋放file結(jié)構(gòu)體，而只是把引用計(jì)數(shù)減到1，如果再close(fd2)，引用計(jì)數(shù)就會(huì)減到0同時(shí)釋放file結(jié)構(gòu)體，這才真的關(guān)閉了文件。

每個(gè)file結(jié)構(gòu)體都指向一個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員都是函數(shù)指針，指向?qū)崿F(xiàn)各種文件操作的內(nèi)核函數(shù)。比如在用戶程序中read一個(gè)文件描述符，read通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，然后找到這個(gè)文件描述符所指向的file結(jié)構(gòu)體，找到file結(jié)構(gòu)體所指向的file_operations結(jié)構(gòu)體，調(diào)用它的read成員所指向的內(nèi)核函數(shù)以完成用戶請(qǐng)求。在用戶程序中調(diào)用lseek、read、write、ioctl、open等函數(shù)，最終都由內(nèi)核調(diào)用file_operations的各成員所指向的內(nèi)核函數(shù)完成用戶請(qǐng)求。file_operations結(jié)構(gòu)體中的release成員用于完成用戶程序的close請(qǐng)求，之所以叫release而不叫close是因?yàn)樗灰欢ㄕ娴年P(guān)閉文件，而是減少引用計(jì)數(shù)，只有引用計(jì)數(shù)減到0才關(guān)閉文件。對(duì)于同一個(gè)文件系統(tǒng)上打開的常規(guī)文件來說，read、write等文件操作的步驟和方法應(yīng)該是一樣的，調(diào)用的函數(shù)應(yīng)該是相同的，所以圖中的三個(gè)打開文件的file結(jié)構(gòu)體指向同一個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)體。如果打開一個(gè)字符設(shè)備文件，那么它的read、write操作肯定和常規(guī)文件不一樣，不是讀寫磁盤的數(shù)據(jù)塊而是讀寫硬件設(shè)備，所以file結(jié)構(gòu)體應(yīng)該指向不同的file_operations結(jié)構(gòu)體，其中的各種文件操作函數(shù)由該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)。

每個(gè)file結(jié)構(gòu)體都有一個(gè)指向dentry結(jié)構(gòu)體的指針，“dentry”是directory entry（目錄項(xiàng)）的縮寫。我們傳給open、stat等函數(shù)的參數(shù)的是一個(gè)路徑，例如/home/akaedu/a，需要根據(jù)路徑找到文件的inode。為了減少讀盤次數(shù)，內(nèi)核緩存了目錄的樹狀結(jié)構(gòu)，稱為dentry cache，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)dentry結(jié)構(gòu)體，只要沿著路徑各部分的dentry搜索即可，從根目錄/找到home目錄，然后找到akaedu目錄，然后找到文件a。dentry cache只保存最近訪問過的目錄項(xiàng)，如果要找的目錄項(xiàng)在cache中沒有，就要從磁盤讀到內(nèi)存中。

每個(gè)dentry結(jié)構(gòu)體都有一個(gè)指針指向inode結(jié)構(gòu)體。inode結(jié)構(gòu)體保存著從磁盤inode讀上來的信息。在上圖的例子中，有兩個(gè)dentry，分別表示/home/akaedu/a和/home/akaedu/b，它們都指向同一個(gè)inode，說明這兩個(gè)文件互為硬鏈接。inode結(jié)構(gòu)體中保存著從磁盤分區(qū)的inode讀上來信息，例如所有者、文件大小、文件類型和權(quán)限位等。每個(gè)inode結(jié)構(gòu)體都有一個(gè)指向inode_operations結(jié)構(gòu)體的指針，后者也是一組函數(shù)指針指向一些完成文件目錄操作的內(nèi)核函數(shù)。和file_operations不同，inode_operations所指向的不是針對(duì)某一個(gè)文件進(jìn)行操作的函數(shù)，而是影響文件和目錄布局的函數(shù)，例如添加刪除文件和目錄、跟蹤符號(hào)鏈接等等，屬于同一文件系統(tǒng)的各inode結(jié)構(gòu)體可以指向同一個(gè)inode_operations結(jié)構(gòu)體。

inode結(jié)構(gòu)體有一個(gè)指向super_block結(jié)構(gòu)體的指針。super_block結(jié)構(gòu)體保存著從磁盤分區(qū)的超級(jí)塊讀上來的信息，例如文件系統(tǒng)類型、塊大小等。super_block結(jié)構(gòu)體的s_root成員是一個(gè)指向dentry的指針，表示這個(gè)文件系統(tǒng)的根目錄被mount到哪里，在上圖的例子中這個(gè)分區(qū)被mount到/home目錄下。

file、dentry、inode、super_block這幾個(gè)結(jié)構(gòu)體組成了VFS的核心概念。對(duì)于ext2文件系統(tǒng)來說，在磁盤存儲(chǔ)布局上也有inode和超級(jí)塊的概念，所以很容易和VFS中的概念建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。而另外一些文件系統(tǒng)格式來自非UNIX系統(tǒng)（例如Windows的FAT32、NTFS），可能沒有inode或超級(jí)塊這樣的概念，但為了能mount到Linux系統(tǒng)，也只好在驅(qū)動(dòng)程序中硬湊一下，在Linux下看FAT32和NTFS分區(qū)會(huì)發(fā)現(xiàn)權(quán)限位是錯(cuò)的，所有文件都是rwxrwxrwx，因?yàn)樗鼈儽緛砭蜎]有inode和權(quán)限位的概念，這是硬湊出來的。