文件IO、目录IO

在 Linux 内核中，文件 I/O（输入/输出）操作涉及一组系统调用，这些调用是用户空间程序与内核空间文件系统之间的接口。常见的文件 I/O 操作包括 open()、read()、write()、lseek() 等，这些系统调用提供了访问文件、读取文件内容、写入数据和操作文件指针等功能。

1. open() 系统调用 open() 用于打开一个文件或者创建一个文件，并返回文件描述符（file descriptor）。它的原型如下：

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

pathname：文件路径。 flags：打开文件的方式，常见的标志有： O_RDONLY：只读模式 O_WRONLY：只写模式 O_RDWR：读写模式 O_CREAT：文件不存在时创建 O_APPEND：以追加模式打开文件 O_TRUNC：文件存在时截断为0大小 mode：如果文件被创建（O_CREAT 标志），则指定文件的权限（如 S_IRUSR, S_IWUSR 等）。 open() 函数返回一个非负整数的文件描述符（文件句柄），如果出错，则返回 -1。

内核实现： 在内核中，open() 系统调用通过 do_sys_open() 函数来实现。内核会根据 flags 参数判断如何打开文件，并调用具体的文件系统接口来完成文件的打开操作。

2. read() 系统调用 read() 用于从文件中读取数据。它的原型如下：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

fd：文件描述符，由 open() 返回。 buf：指向存储读取数据的缓冲区。 count：要读取的字节数。 read() 会返回实际读取的字节数，如果遇到文件末尾（EOF），返回 0；出错时返回 -1。

内核实现： 在内核中，read() 会调用对应文件系统的 read() 方法，通常是通过 vfs_read() 函数。这会先查找文件系统的相关操作，然后读取数据并将其拷贝到用户空间缓冲区。

3. write() 系统调用 write() 用于向文件写入数据。它的原型如下：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

fd：文件描述符，由 open() 返回。 buf：指向包含要写入数据的缓冲区。 count：要写入的字节数。 write() 返回实际写入的字节数。如果出现错误，返回 -1。

内核实现： 在内核中，write() 系统调用通过 vfs_write() 函数来实现。具体的文件系统会根据需要将数据写入磁盘，操作涉及到文件缓存管理和磁盘 I/O。

4. lseek() 系统调用 lseek() 用于改变文件的读取/写入位置。它的原型如下：

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

fd：文件描述符。 offset：偏移量。 whence：如何解释偏移量，常见的值有： SEEK_SET：从文件的开头开始偏移。 SEEK_CUR：从当前位置偏移。 SEEK_END：从文件末尾偏移。 lseek() 返回新的文件位置（以字节为单位）。如果出错，返回 -1。

内核实现： 在内核中，lseek() 系统调用通过 vfs_llseek() 来实现，它会根据文件的类型和文件系统的不同来处理文件偏移操作。对于普通文件，它会更新文件的文件指针；对于某些特殊文件（如设备文件），lseek() 可能会有不同的实现。

5. 文件 I/O 的文件系统层 在内核中，文件系统通过一组虚拟文件系统（VFS）接口来管理文件。VFS 是一个抽象层，允许不同的文件系统（如 ext4、xfs、ntfs 等）通过统一的接口进行操作。VFS 提供了很多与文件操作相关的函数，如 vfs_read()、vfs_write()、vfs_open() 等。

内核中文件 I/O 相关的主要结构和函数： file_operations 结构体：包含一组指向操作函数的指针，如 read(), write(), open(), release() 等。这些函数处理文件的具体操作。 inode 结构体：表示文件的元数据，如文件类型、权限、大小等。 file 结构体：表示文件描述符，包含文件指针等信息。 dentry 结构体：表示目录项，用于目录的遍历。 文件 I/O 流程概述： 打开文件：

用户调用 open() 系统调用。 内核通过 vfs_open() 查找文件并返回文件描述符。 读取文件：

用户调用 read() 系统调用。 内核通过 vfs_read() 获取数据并拷贝到用户空间。 写入文件：

用户调用 write() 系统调用。 内核通过 vfs_write() 将数据写入文件系统。 调整文件指针：

用户调用 lseek() 系统调用。 内核通过 vfs_llseek() 调整文件的读写位置。 总结 open()：打开文件，返回文件描述符。 read()：从文件读取数据。 write()：向文件写入数据。 lseek()：调整文件的读写位置。