? ? ? ? Linux的系統I/O函數（read、write、open、close和 lseek等）與C語言的C庫函數（libc.so庫文件中）都是相對應的，它們都是動態庫函數。如下圖所示，C庫函數有fopen、fclose、fwrite、fread和fseek等。這些C庫函數都封裝在libc.so庫文件中，其中的fopen函數用于打開一個文件，其返回值為FILE *類型（指向FILE類型的一個指針），FILE類型為一個結構體，用于描述對打開的文件的一些操作，對于除了fopen以外的C庫函數都會通過這個FILE *類型指針對打開的文件進行操作。

FILE類型為一個結構體，包括三個部分：文件描述符、文件讀寫指針和I/O緩沖區。

文件描述符（整型）用于索引到對應的磁盤文件，類似于FCB（文件控制塊）和索引結點，包含了該文件在磁盤上的位置信息。對于每一個進程打開的所有文件在其PCB中都有記錄相應的文件描述符，如0代表標準輸入，其宏定義為STDIN_FILENO（#define STDIN_FILENO 0）。所有執行I/O操作的系統調用都以文件描述符，即一個非負整數來指代所打開的文件。文件描述符可以用來表示所有類型的已打開文件。同時，多個文件描述符可以指向同一個打開文件，因為有在不同進程中打開同一個文件的需求。

文件描述符是一個整型數，文件描述符表是一個整型數組，而在PCB中有一個指針，指向文件描述符表的首地址，因此根據PCB就可以找到對應的文件描述符，而每一個文件描述符都對應一個FILE *的指針，即可以根據文件描述符進一步找到FILE結構體，該結構體保存了所打開文件的屬性信息（文件大小、I/O緩沖、讀寫指針、文件打開次數等等），而這樣的結構體每個文件都只有一份，供所有打開該文件的進程共享，而這些進程所不同的只是文件描述符不一樣。FILE結構體的內容只有一份。FILE結構體類似inode，而文件描述符類似簡化的FCB。

每一個文件只有一個文件讀寫指針（讀寫文件過程中指針的實際位置），在文件讀寫時要時刻注意當前文件指針的位置。文件讀寫指針指向將要寫入或讀出的下一個地址。如果一個進程對文件正在進行寫入，此時另一個進程要讀取該文件的數據，需要利用fseek函數將文件讀寫指針置于文件的起始位置才能讀取數據。

系統調用指操作系統提供給用戶程序調用的一組接口（接口函數）來獲得內核提供的服務。在實際中程序員使用的通常不是系統調用，而應用程序接口API，也稱為系統調用編程接口，接口函數可能要一個或者幾個系統調用才能完成函數功能，此函數通過c庫（libc）實現，如fread，fopen等。

I/O緩沖區。每一個C庫函數在對文件操作時都會有對應的I/O緩沖區，I/O緩沖區屬于內存的一部分，位于用戶空間，默認大小為8KB，即8192個Bytes。

以fgetc / fputc函數為例，當用戶程序第一次調用fgetc 讀一個字節時，fgetc函數可能通過系統調用進入內核讀1K字節到I/O緩沖區中，然后返回I/O緩沖區中的第一個字節給用戶，把讀寫位置指向I/O緩沖區中的第二個字符，以后用戶再調fgetc ，就直接從I/O緩沖區中讀取，而不需要進內核了，當用戶把這1K字節都讀完之后，再次調用fgetc時，fgetc 函數會再次進入內核讀1K字節到I/O緩沖區中。C標準庫之所以會從內核預讀一些數據放 在I/O緩沖區中，是希望用戶程序隨后要用到這些數據，C標準庫的I/O緩沖區也在用戶空間，直接從用戶空間讀取數據比進內核讀數據要快得多。另一方面，用戶程序調用fputc通常只是寫到I/O緩沖區中，這樣fputc 函數可以很快地返回，如果I/O緩沖區寫滿了，fputc 就通過系統調用把I/O緩沖區中的數據傳給內核，內核最終把數據寫回磁盤或設備。有時候用戶程序希望把I/O緩沖區中的數據立刻給內核，讓內核寫回設備或磁盤，這稱為Flush操作，對應的庫函數是fflush，fclose函數在關閉文件之前也會做Flush操作。

由上可以看出，fgetc和fputc庫函數在完成工作的過程中可能需要幾個系統調用，如將I/O緩沖區的數據寫入內核緩沖，將內核緩沖數據刷到磁盤上等。因此，通過增設I/O緩沖區和內核緩沖可以減少進入內核的次數和對磁盤的操作次數（這些都需要系統調用來完成），從而提高了讀寫效率。相對于內存，機械硬盤的讀寫速度很慢。機械硬盤的讀寫尋道時間ms級，而內存的讀寫速度是ns級別。另外，從用戶空間（I/O緩沖區）直接讀寫數據也會比進入內核（系統調用）要快很多。

Flush操作。指把I/O緩沖區的數據立即傳送給內核，然后刷到磁盤上，分為強制性和非強制性兩種。C庫函數fflush是強制性把I/O緩沖區的數據立即寫給內核的緩沖區；C庫函數fsync是強制性把內核緩沖區的數據立即刷到磁盤上。main函數的return和調用main函數中的exit（退出當前進程），也會把緩沖區的數據立即寫到磁盤上。I/O緩沖區已經寫滿或者關閉文件時，將會自動將其數據寫到磁盤上。

內核緩沖區。人生三大錯覺之中的一個：在調用函數write()時，我們覺得該函數一旦返回，數據便已經寫到了文件里，可是這樣的概念僅僅是宏觀上的。實際上，操作系統實現某些文件I/O時（如磁盤文件），為了保證I/O的效率，在內核一般會用到一片專門的區域（內存或獨立的I/O地址空間）作為I/O數據緩沖區.它用在輸入輸出設備和CPU之間，用來緩存數據，使得低速的設備和快速的CPU可以協調工作避免低速的輸入輸出設備長時間占用CPU，降低系統調用，提高了CPU的工作效率。

Linux系統I/O函數是沒有I/O緩沖區的，其緩存是由用戶提供的。C庫函數都有對應的I/O緩沖區8KB（8196Bytes）。注意：內核緩沖和I/O緩沖的作用不同。