Linux文件I/O系統概述
虛擬文件系統（VFS）
Linux系統成功的關鍵因素之一就是具有與其 他操作系統和諧共存的能力。Linux系統的文件系統由兩層結構構建：第一層是虛擬文件系統（VFS），第二層 是各種不同的具體的文件系統。
VFS就是把各種具體的文件系統的公共部分抽取出來，形成一個抽象層 ，是系統內核的一部分，它位於用戶程序和具體的文件系統之間。它對用戶提供了標准的文件系統調用接口， 對具體的文件系統（如EXT2、FAT32等），它通過一系列的對不同文件系統公用的函數指針來實際調用具體的 文件系統函數，完成實際的各有差異的操作。任何使用文件系統的程序必須經過這層接口來使用它。通過這樣 的方式，VFS就對用戶屏蔽了底層文件系統的實現細節和差異。
VFS的作用：①對具體的文件系統的數 據結構進行抽象，以一種統一的數據結構進行管理；②接受用戶層的系統調用，如open()、read()、write() 、stat()、link()等；③支持多種具體文件系統之間的相互訪問，接受內核其他子系統的操作請求，例如，內 存管理和進程調度。
VFS在linux系統中的位置如下圖1所示：
通過命令：cat /proc/filesystems 可以查看系統中支持哪些文件系統
第一列說明文件 系統是否需要掛接在一個塊設備上。nodev表明後面的文件系統不需要掛接在塊設備上。
第二列是內核 支持的文件系統。
Linu中的文件及文件描述符
與windows不同，Linux操作系統都是基於文件概 念的（這個很很重要啊），文件是以字符序列構成的信息載體。根據這一點，可以把I/O設備當做文件來處理 。因此，與磁盤上的普通文件進行交互所用的同一系統調用可以直接用於I/O設備。這樣大大簡化了系統對不 同設備的處理，提高了效率。
Linux中的文件主要分為4種：普通文件、目錄文件、鏈接文件和設備文 件，如下圖：
內核如何區分和引用特定的文 件呢？這裡用到了一個重要的概念-------文件描述符。
在Linux中，所有對設備和文件的操作都是使 用文件描述符來進行的。文件描述符是一個非負的整數，它是一個索引值，並指向在內核中每個進程打開文件 的記錄表。當打開一個現存文件或創建一個新文件時，內核就向程返回一個文件描述符；當需要讀寫文件時， 也需要把文件描述符作為參數傳遞給相應的函數。（咱可以這樣理解，只有當對文件進行操作時，該文件才會 有文件描述符，進程沒有用到的文件統統不給描述符）
通常，一個進程啟動時，都會打開3個 文件：標准輸入、標准輸出和標准出錯處理。這3個文件分別對應描述符為0、1和2（也就是宏替換 STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、STDERR_FILENO）。
基於文件描述符的I/O操作雖然不能直接移植到 類Linux以外的系統上（如Windows），但它往往是實現某些I/O操作的唯一途徑，如Linux中底層文件操作函數 （下邊會講）、多路I/O、TC[/IP套接字編程接口等、同時，它們也很好地兼容Posix標准，因此，可以很方便 地移植到任何Posix平台上。基於文件描述符的I/O操作是Linux中最常用的操作之一，下面就講講它。
底層文件I/O操作
這次主要介紹文件I/O操作的系統調用，主要用到5個函數：open()、read()、write ()、lseek()和close()。這些函數的特點不帶緩存，直接對文件（包括設備）進行讀寫操作。
1、基本 文件操作
函數說明
open()函數用於打開或創建文件，在打開或者創建文件時可以指定文件的屬 性及用戶的權限等各種參數。
close()函數用於關閉一個被打開的文件。當一個進程終止時，所有被它 打開的文件都由內核自動關閉，很多程序都使用這一功能而不顯示地關閉一個文件。
read()函數用於 將從指定的文件中讀出的數據放到緩存區中，並返回實際讀入的字節數。若返回0，則表示沒有數據可讀，即 已到達文件尾。讀操作從文件的當前指針位置開始。當從設備文件中讀出數據時，通常一次最多讀一行。
write()函數用於向打開的文件寫數據。寫操作從文件的當前指針位置開始，對磁盤文件進行寫操作， 若磁盤已滿或者超出該文件的長度，則write()函數返回失敗。
lseek()函數用於在指定的文件描述符 中將文件指針定位到相應的位置。每一個已打開的文件都有一個讀寫位置，當打開文件時，其讀寫位置通常指 向文件開頭；若是以附加的方式打開文件（如O_APPEND），則讀寫位置會指向文件尾。當read()或者write() 時，讀寫位置會隨之增加，lseek()便是用來控制該文件的讀寫位置的。它只能用在可定位（可隨機訪問）文 件操作中。管道、套接字和大部分字符設備文件是不可定位的，所以在這些文件的操作中無法使用lseek()調 用。
函數格式
下面我以表格的形式將這5個函數的格式寫出來，接下來再加上我的基礎實驗。
在open()函數中，flag參數可通過 “|” 組合構成，但前3個標志常量（O_RDONLY、O_WRONLY及O_RDWR） 不能相互組合。perms是文件的存取權限，既可以用宏定義表示法，也可以用八進制表示法。
在讀普通文件時，若讀到要求的字節數前已到達文件的尾部，則返回的字節數會小於希望讀書的字 節數。
關於size_t和ssize_t的區別，如果有不懂的請看： http://blog.csdn.net/mybelief321/article/details/8992052，也可以簡單的記住：ssize_t是有符號整形 ，size_t是無符號整形。
在寫普通文件時，寫操作從文件的當前指針位置開始。
下面是lseek較特別的使用
☆ 欲將讀寫位置移到文件開頭時：lseek(int fd,0,SEEK_SET)
☆ 欲將讀寫位置移到文件尾時：lseek(int fd,0,SEEK_END)
☆ 想要取得目前文件位置時：lseek(ind fd,0,SEEK_CUR)
注意：Linux系統不允許lseek()對tty裝置作用，此動作會令lseek()返回ESPIPE。
另外，其實還有一個文件創建函數creat()，它的函數原型是int creat(const char *pathname,int perms),它相當於使用下列的調用方式調用open()：
open(const char *pathname, (O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC));
基礎實驗1：
實驗說明：主要是為了演示open()函數的使用方 法。首先在自己的目錄下使用命令：vi open.c創建一個文件，如下圖，我在路徑/home/song/lianxi文件夾下 創建的：
然後編寫open.c文件內容，內 容如下：
編輯並保存open.c後的文件夾所含全部文件，如下：
使用命令：gcc open.c -o open編譯c文件，如下：
執行命令：./open 可以看到咱 們的實驗成功輸出了：
使用命令：more temp查看一下 temp的文件，裡邊有咱們使用write()寫的內容：
我將這個文件內容上傳到了： 點此下載，可以自行下載
基礎實驗2
實驗說明：基本功能是從一個文件（源文件）中讀取最後2KB數據並復制到另一個文件（ 目標文件）。在實例中源文件是以只讀方式打開的，目標文件是以只寫方式（可以使讀/寫方式）打開的。若 目標文件不存在，可以創建並設置權限的初始值為644，即文件所有者可讀可寫，文件所屬組合其他用戶只能 讀。
首先先後使用命令：vi copy_file.c和 vi src.c 在自己的實驗目錄下創建文件，如下圖
然後再編輯copy_file.c的文件內容，如下
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<s ys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define Buffer_Size 1024 /*每次讀寫緩存大小為1KB，大小不同，運行效率不同*/
#define Src_File_Name "/home/song/lianxi/src.c" /*源文件名，建議使用宏定義 */
#define Dest_File_Name "/home/song/lianxi/dest.c" //目標文件 名*/
#define Offset 1024*2 //復制的數據大小，這裡為2KB*/
int main()
{
int src_fd,dest_fd; /*文件描述符*/
unsigned char buff[Buffer_Size]; /*定義用於緩沖數據的數組*/
int real_read_len; /*read()函數實際讀取到的字 節*/
/*以只讀方式打開源文件*/
src_fd=open(Src_File_Name,O_RDONLY);
/* 以只寫方式打開目標文 件，若此文件不存在則創建該文件，訪問權限為644*/
dest_fd=open (Dest_File_Name,O_WRONLY|O_CREAT,S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IROTH);
/*如果打開文件出錯，則退出 程序*/
if(src_fd<0||dest_fd<0)
{
printf("Open file error\n");
exit(1);
}
/* 將源文件的讀/寫指針移到最後2KB的起始位置*/
lseek(src_fd,- Offset,SEEK_END);
/* 讀取源文件的最後2KB數據並寫到目標文件中，每次讀寫1KB*/
while ((real_read_len=read(src_fd,buff,sizeof(buff)))>0)
{
write(dest_fd,buff,real_read_len);
}
/* 關閉文件，釋放資源*/
close (dest_fd);
close(src_fd);
return 0;
}
其中src.c的文件內容你可以自己隨便的放內容，但是要注意文件內容要大於2KB。
這兩個文件我 上傳到資源網站，可以自行下載：點此下載
編輯完之後，使用命令： gcc copy_file.c -o copy_file 編譯文件，然後執行命令：./copy_file，可以 看到自動生成了dest.c文件
使用命令：more dest.c可以看 到文件的內容
使用命令：ls -l dest.c可以看到該文件的大小正好為2KB（2048）
