一般说起文件和文件系统的时候，都会下意识的想到它们存在于磁盘上。然而，磁盘只能被动的存储，却不能主动去处理文件；要处理文件，只能把它们的数据复制到内存中，交给CPU处理，处理好的数据先写入内存，再传回到磁盘。那么，操作系统如何在内存中管理各种文件呢？即运行时文件系统在内核中的表示。
我们知道，进程是操作系统分配资源的基本单位，文件也是在进程中被处理的。比如用vim写代码，那么vim这个程序就成为操作系统中的一个进程，vim处理的对象就是一个代码文件。操作系统用PCB来管理进程，PCB从代码的角度看就是task_struct结构体，这个结构体中有一个指针指向files_struct结构体，这就是所谓的文件描述符表，其代码如下：
<code class="hljs cs has-numbering" style="display: block; padding: 0px; color: inherit; box-sizing: border-box; font-family: 'Source Code Pro', monospace;font-size:undefined; white-space: pre; border-radius: 0px; word-wrap: normal; background: transparent;"><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> files_struct { atomic_t count; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 共享该表的进程数 */</span> rwlock_t file_lock; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 保护以下的所有域,以免在tsk->alloc_lock中的嵌套*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">int</span> max_fds; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*当前文件对象的最大数*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">int</span> max_fdset; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*当前文件描述符的最大数*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">int</span> next_fd; ／*已分配的文件描述符加<span class="hljs-number" style="color: rgb(0, 102, 102); box-sizing: border-box;">1</span>*/ <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> file ** fd; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 指向文件对象指针数组的指针 */</span> fd_set *close_on_exec; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*指向执行exec( )时需要关闭的文件描述符*/</span> fd_set *open_fds; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*指向打开文件描述符的指针*/</span> fd_set close_on_exec_init;<span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 执行exec( )时需要关闭的文件描述符的初值集合*/</span> fd_set open_fds_init; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*文件描述符的初值集合*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> file * fd_array[<span class="hljs-number" style="color: rgb(0, 102, 102); box-sizing: border-box;">32</span>];<span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 文件对象指针的初始化数组*/</span>};</code><ul class="pre-numbering" style="box-sizing: border-box; position: absolute; width: 50px; top: 0px; left: 0px; margin: 0px; padding: 6px 0px 40px; border-right-width: 1px; border-right-style: solid; border-right-color: rgb(221, 221, 221); list-style: none; text-align: right; background-color: rgb(238, 238, 238);"><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">1</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">2</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">3</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">4</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">5</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">6</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">7</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">8</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">9</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">10</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">11</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">12</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">13</li></ul>这个表是每个进程私有的，每个进程都有一个，它也称为用户打开文件表，这是为了区别系统打开文件表。我们主要关注最后一个成员：struct file * fd_array[32];，这是一个指针数组，数组的每个成员都指向一个file结构体，file结构体中保存着该进程已经打开的文件的信息。由于一个进程可以打开多个文件，所以用一个指针数组来保存它们的信息。对于在数组中有入口地址的每个文件来说，数组的索引就是文件描述符（file descriptor）。通常，数组的第一个元素（索引为0）是进程的标准输入文件，数组的第二个元素（索引为1）是进程的标准输出文件，数组的第三个元素（索引为2）是进程的标准错误文件。这三个文件是操作系统为每个进程默认打开的，如果进程需要打开其他文件，那么进程描述符将从3开始。文件描述符是系统的一个重要资源，虽然说系统内存有多少就可以打开多少的文件描述符，但是在实际实现过程中内核是会做相应的处理的，一般最大打开文件数会是系统内存的10%（以KB来计算）（称之为系统级限制），查看系统级别的最大打开文件数可以使用sysctl -a | grep fs.file-max命令查看。与此同时，内核为了不让某一个进程消耗掉所有的文件资源，其也会对单个进程最大打开文件数做默认值处理（称之为用户级限制），默认值一般是1024，使用ulimit -n命令可以查看。
在Linux中，进程是通过文件描述符（file descriptors，简称fd）而不是文件名来访问文件的，文件描述符实际上是一个整数。
- 虚拟文件系统
下面来看一下file结构体，代码如下：
<code class="hljs objectivec has-numbering" style="display: block; padding: 0px; color: inherit; box-sizing: border-box; font-family: 'Source Code Pro', monospace;font-size:undefined; white-space: pre; border-radius: 0px; word-wrap: normal; background: transparent;"><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> file{ <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> list_head f_list; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*所有打开的文件形成一个链表*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> dentry *f_dentry; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*指向相关目录项的指针*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> vfsmount *f_vfsmnt; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*指向VFS安装点的指针*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> file_operations *f_op; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*指向文件操作表的指针*/</span> mode_t f_mode; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*文件的打开模式*/</span> loff_t f_pos; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*文件的当前位置*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">unsigned</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">short</span> f_flags; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*打开文件时所指定的标志*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">unsigned</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">short</span> f_count; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*使用该结构的进程数*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">unsigned</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">long</span> f_reada, f_ramax, f_raend, f_ralen, f_rawin; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*预读标志、要预读的最多页面数、上次预读后的文件指针、预读的字节数以及预读的页面数*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">int</span> f_owner; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 通过信号进行异步I/O数据的传送*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">unsigned</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">int</span> f_uid, f_gid; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*用户的UID和GID*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">int</span> f_error; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*网络写操作的错误码*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">unsigned</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">long</span> f_version; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*版本号*/</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">void</span> *private_data; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* tty驱动程序所需 */</span>};</code><ul class="pre-numbering" style="box-sizing: border-box; position: absolute; width: 50px; top: 0px; left: 0px; margin: 0px; padding: 6px 0px 40px; border-right-width: 1px; border-right-style: solid; border-right-color: rgb(221, 221, 221); list-style: none; text-align: right; background-color: rgb(238, 238, 238);"><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">1</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">2</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">3</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">4</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">5</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">6</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">7</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">8</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">9</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">10</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">11</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">12</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">13</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">14</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">15</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">16</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">17</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">18</li></ul>file结构体并不与实际的文件一一对应，例如，当一个进程多次打开同一文件的时候，都会分配一个不同的file结构体以及相应的文件描述符，尽管这些file结构体最终都指向同一个实际物理文件。可以看出，内存中的文件和磁盘中的文件实现方式还是不太一样的，内存中的文件是动态的，因为要不停的读写，所以只是一份拷贝，所有的操作针对的只是这份拷贝，操作完成后，把结果写回到磁盘文件中；写回这个动作执行之前，所有的改动只存在与内存中，并不会实时反应到磁盘上，可以用vim和cat同时操作一个文件来验证一下。懂了这个道理之后，再看为啥每次打开文件要分配不同的file结构体：因为每次打开意味着要对同一个文件进行不同的操作，并希望不同操作的结果都能写回到磁盘文件中；如果使用同一个file，那么就有可能后面的操作覆盖掉前面的操作。
覆盖的可能性来自于file结构体的成员loff_t f_pos;它表示文件当前的读写位置。每个文件都有一个32位的数字来表示下一个读写的字节位置，这个数字叫做文件位置。每次打开一个文件，除非明确要求，否则文件位置都被置为0，即文件的开始处，此后的读或写操作都将从文件的开始处执行，可以通过执行系统调用LSEEK（随机存储）对这个文件位置进行修改。所以，如果两次操作是针对同一文件的不同位置，使用同一个file结构体将使它们拥有同样的读写位置，这显然无法达到目的。这还是同一进程的不同操作，更何况不同进程的不同操作呢？于是，每次打开文件几乎都要分配一个新的file结构体。可以说，file结构体主要保存的就是这个读写位置。
上面使用了“几乎”，那就表示有例外情况：生成一个新进程时，子进程要共享父进程的所有信息，包括file结构体，其成员unsigned short f_count;就表示了当前有多少进程在使用这个结构体，只有当它的值为0时，才从内存中销毁这它。
file结构体中的第一个成员是 struct list_head f_list;它使file结构形成一个双链表，称为系统打开文件表，其最大长度是NR_FILE，在fs.h中定义为8192。
那么文件描述符表、系统打开文件表和实际文件之间的关系可以如下图：
然后我们看看file结构体如何指向最终的实际文件，这要涉及到第二个成员：struct dentry *f_dentry; 其代码如下：
<code class="hljs objectivec has-numbering" style="display: block; padding: 0px; color: inherit; box-sizing: border-box; font-family: 'Source Code Pro', monospace;font-size:undefined; white-space: pre; border-radius: 0px; word-wrap: normal; background: transparent;"><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> dentry {atomic_t d_count; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 目录项引用计数器 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">unsigned</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">int</span> d_flags; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 目录项标志 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> inode * d_inode; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 与文件名关联的索引节点 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> dentry * d_parent; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 父目录的目录项 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> list_head d_hash; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 目录项形成的哈希表 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> list_head d_lru; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*未使用的 LRU 链表 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> list_head d_child; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/*父目录的子目录项所形成的链表 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> list_head d_subdirs; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 该目录项的子目录所形成的链表*/</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> list_head d_alias; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 索引节点别名的链表*/</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">int</span> d_mounted; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 目录项的安装点 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> qstr d_name; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 目录项名（可快速查找） */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">unsigned</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">long</span> d_time; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 由 d_revalidate函数使用 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> dentry_operations *d_op; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 目录项的函数集*/</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">struct</span> super_block * d_sb; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 目录项树的根 （即文件的超级块）*/</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">unsigned</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">long</span> d_vfs_flags; <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">void</span> * d_fsdata; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 具体文件系统的数据 */</span><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">unsigned</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">char</span> d_iname[DNAME_INLINE_LEN]; <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;">/* 短文件名 */</span>};</code><ul class="pre-numbering" style="box-sizing: border-box; position: absolute; width: 50px; top: 0px; left: 0px; margin: 0px; padding: 6px 0px 40px; border-right-width: 1px; border-right-style: solid; border-right-color: rgb(221, 221, 221); list-style: none; text-align: right; background-color: rgb(238, 238, 238);"><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">1</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">2</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">3</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">4</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">5</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">6</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">7</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">8</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">9</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">10</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">11</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">12</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">13</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">14</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">15</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">16</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">17</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">18</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">19</li></ul>这个结构体保存了路径信息，包括文件名。我在介绍ln命令时说过，操作系统根据inode号寻找文件，而人类根据文件名，故需要从这个结构体中找到二者之间的对应关系。我们可以利用这两个成员：struct inode * d_inode;和struct qstr d_name;。前者指向了与真正的文件相关的inode结构体，它保存着从磁盘分区的inode读上来信息。至此，进程中文件描述符指向了最终的磁盘文件，我猜file结构体最终要依靠inode结构体写回磁盘。
完。
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