這次講到的部分， 目前在Linux Foundation OpenBMC當中比較少會用到或需要去更改，但如果有需要寫Bridge IC相關的，OpenBIC的code，就會比較有感覺。其實早期Meta OpenBMC也很常需要寫File IO相關的code在Application，像是Firmware update/ Sensor Monitoring ...etc都是要讀取檔案, 或是透過Open Device Path去處理。那我們就再一起來複習一下使用者空間 (Userspace) 與 核心空間 (Kernel Space) 邊界設計哲學。
File Descriptor
想像你的程式 (Process) 走進一家餐廳 (Linux Kernel)。核心會為每個行程維護一份專屬的檔案清單 (File Table) 。當你的程式開啟一個檔案，核心就會從這個清單中取出一個未使用的整數作為該檔案的 FD，並回傳給你。FD 就是你用來索引和參考這個檔案的號碼牌 。預設的三大標準 FD：- FD 0：標準輸入 (stdin)
- 這是歷史慣例所訂定的檔案描述子
0。
- 這是歷史慣例所訂定的檔案描述子
- FD 1：標準輸出 (stdout)
- 檔案描述子
1，通常對應到你的終端機顯示器 。 - 你在 C 程式中使用
printf()的輸出，預設就是送往 FD 1 。
- 檔案描述子
- FD 2：標準錯誤 (stderr)
- 檔案描述子
2，它也通常導向到你的終端機顯示器 。 - 它的作用是允許你將程式中的錯誤訊息與正常的程式輸出分流處理，方便你單獨捕捉錯誤 。
- 檔案描述子
System Call vs Buffered I/O
在 C 語言中，我們常看到兩組看似相似、但其實層級不同的檔案操作函式：
1. Buffered I/O（緩衝式輸入輸出）
使用帶有 f 前綴 的函式，例如：
fopen(), fread(), fwrite(), fclose()
這些函式屬於 C 標準函式庫（C Standard Library），主要運作在 使用者空間（Userspace）。它們會回傳一個 File Pointer (FILE *)，並且定義於 man page 的 Section 3。可以把它想成是系統呼叫（system call）的「包裝（wrapper）」：在底層仍然會呼叫 open()、read()、write()，但額外在使用者空間建立了一層 buffer（緩衝區） 來加速存取。
2. System Call（系統呼叫）
使用 不帶 f 前綴 的函式，例如：
open(), read(), write(), close()
這些函式是直接與 Linux Kernel 互動的介面。它們會回傳一個整數型別的 File Descriptor (FD)，用來唯一識別該進程所開啟的檔案。這些函式定義於 man page 的 Section 2。
緩衝區機制（Buffering Mechanism）
當你使用fread()讀取資料時，即使只要求讀取一個位元組，它可能會一次透過系統呼叫從核心讀入一整塊資料（例如 4KB），並暫存在使用者空間的緩衝區中。 之後若程式再要求更多資料，就能直接從緩衝區讀取，而不需要再進行額外的 system call。這樣做的目的，是為了 減少使用者空間與核心空間之間的切換（context switch）次數，提升 I/O 效能。
開啟與建立檔案 (open)
在 Linux 系統程式設計中，open() 是一切檔案操作的開端。
它的作用是：將一個檔案路徑（pathname）與一個 File Descriptor（檔案描述子, FD）建立連結。
int fd = open("file.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
這個函式呼叫可以拆解成兩個關鍵部分：
- Flags（開啟模式）
flags參數用來決定你要以何種方式開啟檔案。可以使用 bitwise OR (|) 運算符組合多個模式： - O_RDONLY：Read only（唯讀）
- O_WRONLY：Write only（唯寫）
- O_RDWR：Read and write（可讀可寫）
- O_CREAT：若檔案不存在則建立新檔
- O_APPEND：每次寫入都從檔尾追加
- O_SYNC：啟用同步 I/O：寫入動作必須等到資料實際寫入磁碟後才算成功
為什麼O_SYNC重要？
一般情況下，write()完成時資料可能還停留在核心緩衝區，若系統異常關機，資料可能尚未寫入磁碟。 使用O_SYNC可強制所有寫入同步到實體儲存裝置，確保資料一致性（但會犧牲部分效能）。
- Mode（權限設定）
當使用O_CREAT建立新檔案時，必須同時指定mode參數來設定檔案的權限。這個參數以八進位（octal）形式表示檔案的存取權限，對應 Linux 的三組使用者分類： 使用者 (User)、群組 (Group)、以及其他人 (Other)。
每組權限由三個位元組成，分別代表「讀 (r)」、「寫 (w)」、「執行 (x)」。數值上，讀是 4，寫是 2，執行是 1，三者加總後形成該組的權限。
例如0644代表： - 使用者（owner）擁有讀寫權限（6 = 4 + 2），
- 群組與其他人則僅有讀取權限（4）。
strace：看見使用者與核心的對話
在學習 Linux File I/O 時，最能讓人真正體會「使用者空間（User Space）」與「核心空間（Kernel Space）」之間互動細節的工具，就是 strace。可以把 strace 想像成一個專門為 Linux 系統呼叫（System Calls）設計的 Protocol Analyzer。
它能即時顯示出你的程式在執行期間，究竟對核心發出了哪些系統呼叫、傳入了哪些參數、又收到了什麼回傳值。 這意味著你不需要修改任何程式碼，就能直接觀察整個使用者空間與核心空間之間的「對話紀錄」。舉個例子，假設你執行一個讀取空檔案的簡單程式，strace 可能會輸出以下內容：
open("empty_file", O_RDWR|O_CREAT, 0666) = 3
read(3, "", 1024) = 0
從這兩行輸出，我們可以完整看到系統互動的過程：
首先，程式呼叫 open() 來開啟檔案，核心成功建立連線並回傳一個 File Descriptor（這裡是 3）。
接著，程式對這個 FD 3 執行 read() 操作，核心則回傳 0，代表這個檔案沒有內容可讀，也就是已經到達檔案結尾（EOF）。
這種觀察方式非常直觀，因為它讓你能夠從「系統層級」理解程式在做什麼。
更厲害的是，strace 並不需要程式的原始碼——即使只有一個已編譯完成的二進位執行檔（binary executable），也能被 strace 監看。大家可以試試看，假設你有一個簡單的 C 程式，只做一件事：開啟一個檔案並嘗試讀取內容。
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int fd = open("empty.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666);
char buf[100];
read(fd, buf, sizeof(buf));
close(fd);
return 0;
}
你將這段程式編譯並執行：
gcc readfile.c -o readfile
./readfile
表面上，程式什麼都沒輸出；但如果我們在前面加上 strace，你就能看到它與核心之間的一場「對話」：
strace ./readfile
你可以看一下你的終端機會出現怎樣的輸出？
這篇就先到這裡，大家趕快動手試試看呦！
