1. 文件描述符：一切 IO 的起点
问：文件描述符是什么？
一个非负整数，本质是进程文件描述符表的索引。每个进程的 PCB 里都有一个 files 指针，指向一张表，这张表记录了进程打开的所有文件。
进程 PCB → files 指针 → 文件描述符表
├── fd 0 → 标准输入
├── fd 1 → 标准输出
├── fd 2 → 标准错误
└── fd 3 → 你打开的文件/socket
新打开的文件描述符从最小可用整数开始分配。ulimit -n 看上限，/proc/[PID]/fd 看具体进程。
在 IPC 开发中，你的程序同时操作着摄像头设备（/dev/video0）、网络 socket、SD 卡录像文件，它们都通过 fd 来管理。资源耗尽报错 "too many open files" 时，你就知道是在排查什么了。
2. 系统调用 vs 库函数：到底差在哪？
问：read 和 fread 有什么区别？
read 是系统调用，直接进内核，每次都有用户态↔内核态切换开销。fread 是库函数，内部有缓冲区，大部分数据从缓冲区取，满了才真正调用 read。
| 系统调用（read） | 库函数（fread） | |
|---|---|---|
| 是否进内核 | 每次都进 | 缓冲区满了才进 |
| 用户态缓冲区 | 无 | 有（stdio buffer） |
| 适合场景 | 大块数据 | 高频小数据 |
所以：写日志用 fprintf（小数据高频），读视频帧用 read 或 mmap（大数据块）。
3. 零拷贝：高性能 IO 的核心
问：什么是零拷贝？为什么需要它？
传统方式从磁盘读文件再通过网络发出去，数据要走 4 次拷贝：
硬盘 → (DMA) → Page Cache → (CPU) → 用户缓冲区 → (CPU) → Socket 缓冲区 → (DMA) → 网卡
4 次拷贝，4 次上下文切换。CPU 成了"搬运工"，浪费严重。
零拷贝的目标：让 CPU 不参与数据搬运，只负责发指令。硬件用 DMA 直接搬。
问：mmap 怎么用？有什么坑？
把文件映射到进程地址空间，访问内存就是访问文件：
void* addr = mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, offset);
// 直接访问 addr 即可读文件，无需 read()
应用场景：
- V4L2 摄像头 Buffer 映射（IPC 开发必备）
- 大文件读取
- 进程间共享内存
坑点（面试高频）：
| 坑 | 后果 |
|---|---|
| 访问越界 | SIGSEGV |
| 文件被截断 | SIGBUS |
| 修改后未同步 | 数据丢失（需 msync） |
| 特殊文件不可映射 | 管道、socket 不行 |
问：sendfile 是什么？比 mmap 好在哪？
sendfile 在内核态直接把文件数据发到 socket，数据完全不经过用户空间。
sendfile(socket_fd, file_fd, NULL, file_size);
2.6.33 之后配合 DMA，CPU 完全不参与数据搬运，真正的"零拷贝"。
对比：
| mmap + write | sendfile | |
|---|---|---|
| 拷贝次数 | 3 次 | 2 次（DMA 下 0 次 CPU） |
| 系统调用 | 2 次 | 1 次 |
| 数据是否经用户态 | 经（映射后用户态可访问） | 不经 |
IPC 开发中的选择：
- V4L2 采集 →
mmap（需要读/处理帧数据） - 发送录像文件 →
sendfile（无需处理，直接转发）
4. 硬链接 vs 软链接
问：硬链接和软链接有什么区别？
理解它俩，先要知道 inode。每个文件都有两部分：
- inode：文件的"身份证"，存大小、权限、指向数据块的指针
- 数据块：文件的实际内容
文件名只是指向 inode 的一个标签。
硬链接：
ln file1 file2 # 创建硬链接
file1 和 file2 指向同一个 inode。
inode 123456
│
├── 文件名：file1
└── 文件名：file2
删除 file1，inode 引用计数减 1，file2 还在，文件就还在。硬链接 = 同一个实体有多个名字。限制：不能跨分区，不能链接目录。
软链接：
ln -s file1 file1_link # 创建软链接
file1_link 是一个独立的新文件（新的 inode），它的内容就是字符串 "file1"。
inode 234567（软链接）
└── 内容："file1"
inode 123456（原文件）
└── 内容："hello"
打开 file1_link 时，系统读到 "file1"，然后去打开 file1。删除 file1 后，软链接还在，但指向的位置空了，就变成了"悬空链接"。软链接 = 一个文件存的是另一个文件的路径，可以跨分区，可以链接目录。
| 硬链接 | 软链接 | |
|---|---|---|
| 本质 | 同一 inode 的多个文件名 | 独立文件，存目标路径 |
| 删除原文件 | 仍可访问 | 失效（悬空链接） |
| 跨文件系统 | 不可以 | 可以 |
| 链接目录 | 不可以 | 可以 |
5. 总结
文件 IO 知识图谱
│
├── 文件描述符 → 非负整数，表索引，一切 IO 的句柄
│
├── 系统调用 vs 库函数
│ ├── 系统调用：进内核，有切换开销
│ └── 库函数：用户态缓冲，减少切换
│
├── 零拷贝
│ ├── 传统 IO：4 次拷贝
│ ├── mmap：映射内存，3 次拷贝
│ └── sendfile：内核态转发，2 次拷贝（DMA 下 0 次 CPU）
│
└── 链接
├── 硬链接：同一 inode
└── 软链接：存路径
核心理解：IO 优化的本质是减少拷贝次数和减少上下文切换次数。mmap 省了用户态拷贝，sendfile 省了用户态拷贝和一次系统调用，DMA 让 CPU 不用搬数据。你在 IPC 开发中写高效网络服务时，这些就是你的武器。
