#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
using namespace std;
int main()

  int fd = open("log.txt",O_RDONLY);//以只读的方式打开log.txt
  if(fd < 0)//打开失败
  
    cerr<<"open error"<<endl;
    exit(1);
  
  char buf[128]='\\0';

  ssize_t s = read(fd,buf,127);//从打开的文件中读取内容
  if(s > 0)
    buf[s] = '\\0';                       
  cout<<buf<<endl;
  cout<<fd<<endl;
  //需要close文件描述符
  return 0;

先建好文件，将hello world重定向到log.txt文件当中，运行的结果如上图所示。

成功打开文件，文件描述符为3。

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
using namespace std;
int main()

  int fd1 = open("log1.txt",O_RDONLY|O_CREAT);
  int fd2 = open("log2.txt",O_RDONLY|O_CREAT);
  int fd3 = open("log3.txt",O_RDONLY|O_CREAT);
  int fd4 = open("log4.txt",O_RDONLY);
  int fd5 = open("log5.txt",O_RDONLY);

  cout<<fd1<<endl;                               
  cout<<fd2<<endl;
  cout<<fd3<<endl;
  cout<<fd4<<endl;
  cout<<fd5<<endl;
  //需要close掉文件描述
  return 0;

期初没有log1-5这5个文件，前三个open打开时增加O_CREAT选项，默认没有则创建，后面则不然。

打开成功返回文件描述符，负责返回-1，然后创建对应的文件。

文件描述符是什么？

这些数字本身是数组下标

上述例子发现新打开一个文件描述符默认是从3开始的，那么既然是数组下标，那么前面的0,1,2代表什么？

描述符0：标准输入（stdin）

描述符1：标准输出（stdout）

描述符2：标准错误（stderr）

在一个进程里面可能会打开多个文件，所以这些文件描述符需要被管理起来（先描述，后组织）

底层原理：

1、每个文件对应一个结构体 struct file（和进程类似，task_struct）（描述）。

2、将文件连接起来（链表的方式），这样就可以通过一个文件找到其他文件的位置。

3、将进程的PCB与文件关联起来（1：n的关系），linux内核采用数组的方式关联。

这个就是文件描述符的数组fd_array[]，struct file* fd_array[]，用一个指针数组来存储文件对应的结构体指针。

在task_struct结构体里有一个struct files_struct*成员变量

在这个结构体里面又有fd_array这个struct file*的成员变量

再往里面走一走，看看这个指针数组指向的内容到底是什么：

在fs.h这个头文件里定义了struct file结构体，struct file这个结构体比较复杂，大概包含文件的属性信息、文件的缓冲、位置、inode信息和一些方法。

struct file_operations 定义了很多方法

可以发现里面都是函数指针的形式，原因是对于不同的设备（硬件：硬盘、网卡、键盘等）他的读写的方法不一样，所以对应的操作系统打开这些设备，对这些设备操作的时候方法（读、写）也要有区别，所以用函数指针的方式指向他们各自的方法（驱动）。

所以整体的逻辑就是进程task_struct中有指向files_struct的结构体，files_struct中有指针数组fd_array存放file类型的指针，file类型的结构体中又有一个file_operations的成员变量，在file_operations结构体中最终的系统函数read、write等函数指针。

read和write函数

read函数

read函数从描述符fd的当前文件位置读取（复制）最多count个字节到内存的buf位置。一般选择少读一个字符，然后人工加入'\\0'，因为read是不关心'\\0'。

返回值是一个ssize_t类型，返回值为-1的时候表示读出错，如果返回值为大于0表示实际读到了多少字节，如果返回值等于0表示读到了文件的结尾。

write函数

write函数是从内存位置buf复制至多count个字节到文件描述符所对应的文件。

如果写入成功，返回写入的字节数，如果不成果返回-1；

文件重定向

对于linux下要把命令行的参数重定向到文件中可以用 > 或者 >> 来进行重定向

例子：

原理

对于进程来说，默认的文件描述从3开始，默认从最小的没有被分配的fd开始分配

默认情况下三个file分别为0,1,2，对应的0：硬件为键盘（stdin）:1：显示器（stdout）、2：显示器（stderr）。

如果我们1给关掉，即把标准输出的文件描述符给close掉，close(1); 此时如果在打开一个文件，默认分给这个文件的文件描述符为1。

上述过程是在内核里完成的，应用层的命令行并不知道放fd = 1已经不是stdout了，所以这就叫重定向。

例子：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
using namespace std;
int main()

  close(1);//关掉标准输入
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT);//新打开一个文件
  cout<<"hello world"<<endl;//输出
  cout<<fd<<endl;
  close(fd);                                 
  return 0;

追加重定向

O_APPEND

打开文件时多加一个O_APPEND选项，就可以实现追加重定向

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
using namespace std;
int main()

  close(1);//关掉标准输入
  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0644);//新打开一个文件
  cout<<"hello world"<<endl;//输出
  cout<<fd<<endl;
  close(fd);                                 
  return 0;

运行两次test，发现连续往同一个文件里写入了两次相同的数据，实现了追加重定向。

小细节：

这些程序运行后的进程为什么打开了0,1,2这三个文件描述符，而不需要程序员进行open？

因为最开始的那个进程打开了输入输出，fd前三个元素在最开始的进程中已经指向了对应的struct file，所以在创建子进程时会按照父进程的模板创建，所以也同样的默认的打开了输入输出文件。注意：fd还是数据，一旦修改会发生写时拷贝

dup2函数

dup2函数复制描述符表项oldfd到newfd之中，覆盖newfd之前的内容。如果newfd已经打开了，dup2会在复制之前关闭newfd。注意，这个拷贝是对内容的拷贝而不是对数字的拷贝。

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
using namespace std;
int main()

  int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0644);//新打开一个文件
  dup2(fd,1);//用dup2来重定向
  cout<<"hello world"<<endl;//输出
  cout<<fd<<endl;
  close(fd);                                 
  return 0;

注意：

文件描述符也是系统资源，打开了记得关闭，不然会造成系统泄漏。

文件系统

Linux文件系统（ext列），Windows文件系统（NTFS）

文件 = 属性 + 内容

通常情况下，文件会将属性与内容分开存放，文件的属性存放在inode里面，文件的内容存放在block里面。

文件分区

磁盘是一个非常大的存储介质，是典型的的块设备需要将物理内存映射到逻辑内存，然后将其管理起来。一个磁盘有多个分区，一个文件分区：

一个文件分区有多个Block group，每一个Block group都是相同的结构。

超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了。
GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息。
块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用
inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用。
i 节点表（inode Table）：存放文件属性如文件大小，所有者，最近修改时间等。
数据区（Data blocs）：存放文件内容。

inode

inode的内容主要记录文件的属性以及该文件实际数据的位置。

inode Table中可以存放多个inode，但是inode的个数有限制，所以会存在有空间而没办法新建文件的可能。

Data blocks存放数据，里面有很多block，一个block的大小是由格式化的时候确定的（可以设定1k，2k，4k字节）。

一个文件对应一个inode，而一个文件可以有多个block（当文件太大），所以他们之间的对应关系为文件：inode：block =1:1:n。

所以说我们要找到一个对应的文件，需要先找到inode，而inode有一个id，在Linux下通过 ls -li 查看每个文件的所对应的inode的id。

最左边就是文件的inode对应的id，其实目录本身也是一个文件，里面只存文件名和对应的inode的映射关系。 inode id是操作系统所关心的，而我们用户层面只关心的文件名等一些信息。

删除一个文件：

只需要将inode Bitmap中对应的位置0，对应的block Bitmap中的位也置为0。

其中的数据并没有被抹去，所以可以恢复数据

硬链接与软链接

硬链接：和指向的文件共享同一个inode，不是一个独立的文件。

ln 创建链接（默认硬链接）

可以看到具有相同的inode。这两个文件是共享的，删除其中一个不影响另外一个。

中间的一串数字代表硬链接文件的个数，包括自己。

一个文件目录默认是2，因为目录下面默认有两个隐藏文件

软链接：具有独立的inode ，是一个独立的文件

ln -s可以软链接

属性为l代表链接文件，他的inode与log.txt的inode不同，所以是一个独立的文件。

总结

这些东西有点绕，需要总结一下

当我新建一个文件的时候，文件（struct file） = 属性 + 数据，属性对应着inode，每个inode对应一个id，linux内部通过inode id来识别文件，所以说系统并不记录文件名（文件名存放在目录当中，目录建立文件名与inode id的映射关系），只认识文件的inode id，而inode里面是包含很多属性信息的，还包含block在dataBlocks中的映射关系，这种映射可以找到数据在磁盘的哪个地方。当进程打开文件的时候，会返回一个文件标识符fd来记录此时打开的是哪一个文件，接下来的read，write等操作，是直接操作文件标识符fd来实现的，而管理文件标识符的是file* fd_array这个指针数组，fd就是指针数组的下标。fd_array又在files_struct这个结构体当中，在创建一个进程的时候，存在一个files_struct* 的指针指向这个结构体，最终由进程所管理。

以上是关于Linux操作系统-系统级IO的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

《信息安全系统设计基础》第7周学习总结

分离 CPU 和 IO 时间

Linux详解 --- 系统文件IO操作与文件描述符

：系统级I⁄O

IO系统

Linux 操作系统原理 — 内存 — 物理存储器与虚拟存储器