從磁碟上的一個名字，到一個你能使用的東西
在上一篇導覽中我們說過，檔案是一串有名字、能持久保存的位元組，再加上它的屬性——它的大小、擁有者、各種時間戳記。但這一切都只是被動地躺在磁碟上。程式光知道檔案的名字並無法讀取它，就像你光知道瓶子上的標籤並無法喝到裡頭的東西一樣。你得先開啟它。開啟，正是作業系統把一個靜態名字變成一個你的程式真正能使用的、活生生的工作連結的那一刻。
為什麼非得有個「開啟」步驟不可——為什麼不能每一次都直接說「從 /home/me/notes.txt 讀取 100 個位元組」就好？因為靠名字找到一個檔案是件慢工。核心必須走過目錄結構、檢查你是否獲准進入，並定位出檔案在磁碟上的紀錄。若每一次讀取都這麼幹，那簡直是發瘋。所以 open() 把這份查找成本只付一次，架設好一些帳冊，再遞還給你一個此後便宜好用的捷徑。之後每一次讀或寫，都搭著這個捷徑走，而不必再重做一遍那場搜尋。
檔案描述符：一個意思是「那個檔案，給你用」的數字
當 open() 成功時，核心不會把檔案本身交給你，也不會交給你它的一堆位元組。它交給你一個小小的非負整數，叫做檔案描述符——常常是 3、4、5，以此類推。把它想成寄物處的號碼牌。你把笨重的外套（也就是檔案，連同它在磁碟上一切雜亂的細節）交給寄物間，自己走開時手上只攥著一張薄薄的、編了號的存根。這存根又小又好帶，可是只要你一出示它，服務員就確切知道你指的是哪一件外套。你的描述符就是那張存根，而核心就是那位服務員。
為什麼從 3 開始？因為按照悠久的傳統，每個行程一出生就已經有三個描述符開著：0 是標準輸入（通常是鍵盤）、1 是標準輸出（通常是螢幕）、2 是標準錯誤。這正是為什麼往螢幕印字、從鍵盤讀取會感覺如此毫不費力——這些連結在你的程式跑第一行之前就已經遞到它手上了。你接下來開啟的檔案，就單純取用最小的那個空閒號碼，也就是 3。
數字背後：開啟檔案表
那麼，那個小整數實際上索引到的是什麼？每個行程都擁有一個私有的小陣列，也就是每行程描述符表。3 號格子裡放著一個指標，指向一筆更豐富的紀錄，那筆紀錄活在整個核心共用、橫跨全系統的開啟檔案表裡。那筆更豐富的紀錄，才是一個已開啟檔案真正狀態的所在：它是哪個檔案、你是為了讀還是寫而開啟它，以及我們接下來要遇見的那個位置游標。檔名本身根本不存放在這裡——檔案一旦開啟，它的名字便已完成它唯一的任務（幫忙找到它），就此功成身退、不再被需要。
順著那筆紀錄再往下深入一層，你就抵達檔案在磁碟上真正的身分——它的 索引節點，那是一筆精簡的紀錄，握有檔案的屬性，以及它的區塊實際坐落在何處的地圖。我們會在實作那一段裡深入挖掘索引節點；目前最關鍵的概念是這條鏈。你的 fd 不過是第一個環節：描述符號碼通向一筆開啟檔案表的條目，那條目通向索引節點，索引節點再通向真正的位元組。描述符就是這整條鏈靠你這一端的那個便宜把手。
process A process B
fd table fd table
+----+ +----+
| 0 |--> stdin | 0 |--> stdin
| 1 |--> stdout | 1 |--> stdout
| 2 |--> stderr | 2 |--> stderr
| 3 |---------+ +---------| 3 |
+----+ | | +----+
v v
system-wide open-file table
+---------------------------+
| mode: read | pos: 1024 |---> inode ---> [ disk blocks ]
+---------------------------+檔案位置：一個悄悄移動的游標
在每一筆開啟檔案表條目的內部，坐著系統中最有用、卻也最常被忽略的數字之一：檔案位置——有時也叫偏移量或游標。它記錄著你下一次讀或寫，將從檔案開頭算起的第幾個位元組開始。當你為了讀取而開啟一個檔案時，它從 0 開始，也就是最最開頭的那個位元組。這正是文字編輯器裡那個閃爍的游標，只不過對象是原始的位元組：它標示著動作將在哪裡發生。
巧妙之處在於：這個位置會自己往前推進。像 read(fd, buf, n) 這樣一通呼叫做兩件事：它把至多 n 個位元組複製進你的緩衝區，並把游標恰好往前推進它所交付的位元組數。所以你不必自己追蹤你讀到哪了——核心替你追蹤。再呼叫一次 read，你便能無縫地拿到下一段。讓我們在一個 4000 位元組的檔案上追蹤一遍。
- open("data.bin") 回傳 fd 3；它在開啟檔案表裡的條目把位置設為 0。
- read(3, buf, 1000) 把第 0 到第 999 個位元組複製進 buf，並把位置推進到 1000。
- 再一次 read(3, buf, 1000) 複製第 1000 到第 1999 個位元組——它恰好從上回停下的地方接續——位置變成 2000。你從沒告訴它要從哪開始；它自己記得。
- 若想四處跳動而非一路讀到底，可呼叫 lseek(3, 0, start) 把游標一把拉回 0，或 lseek 到你喜歡的任何偏移量；緊接著的下一次讀取就從那裡開始。
這裡有一個微妙卻重要的要點。因為位置活在共用的開啟檔案表條目裡，而不在你私有的描述符格子裡，所以兩個指向同一條目的描述符會共用同一個游標——透過其中一個讀取，另一個也會看到位置移動。但如果兩個行程各自分別開啟同一個檔案，它們會拿到兩筆不同的條目，因而擁有兩個各自獨立的游標，各以自己的步調讀取檔案，互不干擾。
循序讀取，或一步到位地跳過去
你既能讓游標慢慢往前爬、也能把它甩到任何地方，這個事實正是檔案存取方法的核心——也就是程式在一個檔案的位元組之間移動所採用的模式。最常見的模式是循序存取：從頭開始一路讀到尾，游標自己往前推進。你讀一份日誌檔、播一首歌、串流一段影片，用的都是這個方式——從前到後，就像一頁一頁地讀小說。
另一種模式是直接（或隨機）存取：先用 lseek 設定位置，便能以任意順序、一步跳到你想要的任何位元組。資料庫就是這樣一躍跳到第 5000 筆紀錄，而不必讀過它前面的 4999 筆；媒體播放器也是這樣跳到一部電影的中段。作業系統用同一套機制——一個可移動的游標——同時支援這兩者。循序存取，不過是你碰巧從不跳動的那個特例罷了。
當你的程式做完事，它呼叫 close(fd)。這不只是為了整潔。Close 會拆掉那筆開啟檔案表條目（前提是沒有別人正共用它）、釋放描述符號碼好讓未來的 open() 能再利用它，並且重要的是，把任何被緩衝起來的寫入安全地刷寫到磁碟上。忘了 close 會洩漏描述符——一個行程被允許持有的描述符數量是有限的，而一支長時間執行、只開不關的程式，最終會把它們用罄而失敗。開啟、使用、關閉：這就是一個檔案工作連結的完整一生。