基础操作
内核不能感知一个文件的内容和结构，它只是把文件简单地看做字节的集合，并提供了对其内容的字节流访问。对一个文件的常规操作包括创建、删除和读写等。
【打开文件】
一个进程想要读取或是写入一个文件，必须先建立和文件inode之间的通道，方式是通过open()函数。
int open (const char *pathname, int flags, mode_t mode);
这里传入的参数是文件所在的路径明（即"pathname"），那如何根据这个"pathname"找到对应的inode呢？这就要依靠内核提供的dentry(directory entry)了。
dentry
dentry用于建立路径名和inode之间的关联，和super_block以及inode不同，dentry是一个内存结构，并没有对应的磁盘数据。
通常会觉得一个文件只有一个路径是吧？别忘了上文介绍的hard link，对一个inode每增加一个hard link，该inode的路径指向就增加一个。因此，一个inode会对应多个dentry（通过"i_dentry"链表组织），而一个dentry只会对应一个inode（即"d_inode"）。
struct inode -> struct hlist_head i_dentry
struct dentry -> struct inode *d_inode; /* Where the name belongs to */
dentry并不等同于directory，但确实和directory存在着相当的关系。虽然directory被视作文件，但directory本身需要一些特殊操作，比如路径名的查找，而dentry概念的提出就是为了使查找的过程更加便利。比如对"."表示的同级目录就跳过解析，对".."表示的上级目录就使用"dentry->d_parent"。
一层一层的解析路径是非常耗时的，如果每次打开文件都重新解析一次路径，实在是效率堪忧。所以啊，已经解析过的路径会存在一个通过hash表组织的dentry cache（简称dcache）里。
dcache的每一项的内容是一个路径到inode的映射关系，即便是上次查找不存在的路径，也会以"negative entry"的形式记录在dcache里，这样下次在试图访问这个不存在的路径时，可以立即返回错误，不用再去磁盘瞎折腾一番。
此外，还有一个inode cache（简称icache），icache的每一项内容是一个已挂载的文件系统中的文件inode。因为文件的访问在时间上和空间上都体现出明显的局部性，因此使用dcache和icache能极大地提高访问效率。
file
每打开一次文件，就会生成一个代表已打开文件的struct file对象。
struct file {
struct path f_path;
struct inode *f_inode; /* cached value */
...
}
"file"结构体借助"f_path->dentry"和对应的inode关联起来，由于文件可以被多次打开，因此通过同一路径打开的"file"会关联到同一dentry上。
fd table
此外，内核还会向调用open()的进程返回一个per-process的文件描述符（file descriptor，简称fd），代表该进程与文件的一个独立会话，由struct file对象保存着该会话的内容，包括打开文件的方式（即"f_flags"和"f_mode"，对应open函数中的第二和第三个参数）和下一次读写时的偏移位置（即"f_pos"）等。
unsigned int f_flags;
fmode_t f_mode;
loff_t f_pos;
fd是一个从0开始的非负整数，同一进程获取的所有fd构成了这个进程的文件描述符表的数组索引，而数组元素就是指向struct file对象的指针。
根据POSIX标准，当获取一个新的fd时，要返回数值最小的可用描述符。内核会使用bitmap来记录每个进程的fd的分配情况，并据此找到这个最小的可用描述符。
task_struct->files->fdt->fd[fd];
在文件已经打开后，其名称就没什么用处了，它现在由其fd唯一标识，之后的系统调用都将以这个fd为参数。这样，在一次open()执行完路径名的解析后，接下来的每次文件访问都不再需要重复这一过程，使用fd即可快速定位到已打开文件的对象instance。
在其他一些类Unix系统中，还存在一个全局的Open File Table（简称OFT），每打开一个文件，OFT中将增加一个entry，指向全局的inode table中对应的inode。
文件描述符和OFT中的entry通常是一一对应的，但是在两种情况下，OFT中的一个entry会被多个文件描述符共享。
一是使用fork()创建子进程后，子进程将共享父进程在OFT中的所有entries。
二是使用dup()，它允许为进程创建一个新的描述符，指向已经打开且已经有了描述符的文件，其结果就是这两个描述符指向了OFT中的同一个entry。
int fd = open("README", O_RDONLY);
int fd2 = dup(fd);
dup()主要用在输出重定向中，共享同一entry的文件描述符（"fd"和"fd2"）可互换使用。
【读写文件】
通过dentry可以找到inode，而inode记录了文件属性和文件数据的关联（参考这篇文章），因而最终可以找到文件的user data，实现对文件数据的读写。
文件打开后，起始的访问位置是文件的开头。因为文件默认是按顺序访问的，所以偏移位置会随着文件的读写被自动更新，具体的offset数值记录在struct file对象的"f_pos"域中。
调用read()读取一个文件的内容后，除了文件的offset，inode的atime也会被更新。
当读到一个文件的末尾时，将返回0，但返回0不一定是读到末尾了（参考这个回答）。最后，vfs_read()实际调用的是文件所在的文件系统事先注册的read函数（称为“回调”）。
ssize_t __vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
if (file->f_op->read)
return file->f_op->read(file, buf, count, pos);
...
}
Linux内核虽然主要是用C语言编写的，但是其实现充分借鉴了面向对象的思想，使得结构和逻辑看起来更加简洁，VFS的设计就是一个很好的例证。每个结构体都包含若干的function pointers，对于一个具体的文件系统，这些function pointer指向文件系统具体的实现。
除了默认的顺序访问，还可使用lseek()强制改变offset的位置，以实现文件的随机访问。需要注意的是，文件offset只是一个软件的概念，因而lseek并不会引起任何真正的I/O操作。
如果同一进程（或者不同进程）打开同一个文件两次，会生成两个不同的文件描述符，它们有各自独立的offset，互不影响。
write()用于写入，它会更新一个inode的mtime，还可能涉及到磁盘上block的分配。
ssize_t __vfs_write(struct file *file, const char __user *p, size_t count, loff_t *pos)
下一次的读写默认从当前的offset位置开始，如果需要显式地传入偏移量，可使用pread()和pwrite()，这两个函数相当于lseek()加上read()/write()的组合。如果需要多个buffer的内容被依次传送，应使用scatter-gather模式的readv()和writev()。
为了加快读写文件的的速度，磁盘上文件的内容会在内存中形成一份copy，且最近访问过的部分会驻留在内存中，也就是page cache。
struct inode中与page cache相关的部分包括：管理了一个文件在RAM中缓存的所有pages的"address_space"，用于page writeback的dirty时间记录的"dirtied_when"和后备存储器管理的"i_wb_list"等。
struct inode {
struct address_space *i_mapping;
unsigned long dirtied_when; /* jiffies of first dirtying */
struct list_head i_wb_list; /* backing dev writeback list */
...
}
page cache可以提高对文件内容的访问速度，但由于其驻留在内存，因此存在一点掉电时数据丢失的风险，所以writeback机制除了用于释放并回收内存，也可视作是一种durability和performace之间的trade-off。
【关闭文件】
调用close()关闭文件，将释放文件描述符，同时将inode的引用计数减1。如上文所讨论的，当引用计数为0时，意味着一个文件的所有hard link都被移除，并且没有一个进程正在使用该文件，则文件内容和inode才会被真正删除。那如果进程在退出时忘记了关闭会怎样呢？
对于普通进程，这没有关系，因为进程退出时Linux内核会自动关闭文件，释放内存。但对于一个常驻进程来说，如果文件描述符始终不释放，其个数迟早会达到上限。用于文件管理的内存结构没有被释放，也将造成资源的泄露。一个解决办法是通过"lsof"命令查看当前系统中存在哪些未正确关闭的文件。
