（少なくとも私が使用している）すべてのプログラミング言語では、ファイルを読み書きする前にファイルを開く必要があります。
しかし、このオープン操作は実際には何をするのでしょうか？
典型的な関数のマニュアルページは実際にはそれが「読み取り/書き込みのためにファイルを開く」こと以外は何も教えていません：
http://www.cplusplus.com/reference/cstdio/fopen/
https://docs.python.org/3/library/functions.html#open
明らかに、関数の使用を通じて、ファイルへのアクセスを容易にする何らかの種類のオブジェクトの作成が含まれていることがわかります。
別の言い方をすると、もし私がopen関数を実装したとしたら、それはLinuxで何をする必要があるでしょうか？
回答:
ほとんどすべての高水準言語では、ファイルを開く関数は、対応するカーネルシステムコールのラッパーです。他の空想的なこともできますが、現代のオペレーティングシステムでは、ファイルを開くときに常にカーネルを経由する必要があります。
これが、fopenライブラリ関数の引数、またはPythonのopen引数がopen(2)システムコールの引数によく似ている理由です。
ファイルを開くことに加えて、これらの関数は通常、結果として読み取り/書き込み操作で使用されるバッファーをセットアップします。このバッファーの目的は、基盤となるシステムコールへの呼び出しが返す値が少ないかどうかに関係なく、Nバイトを読み取る場合は常に、対応するライブラリ呼び出しがNバイトを返すようにすることです。
実際に自分の機能を実装することに興味はありません。一体何が起こっているのかを理解するだけで...あなたが好きなら「言語を超えて」。
Unixライクなオペレーティングシステムでは、への呼び出しが成功するとopen、ユーザープロセスのコンテキストでは単なる整数である「ファイル記述子」が返されます。その結果、この記述子は、開かれたファイルと対話するすべての呼び出しに渡され、それを呼び出しcloseた後、記述子は無効になります。
の呼び出しは、openさまざまなチェックが行われる検証ポイントのように機能することに注意してください。すべての条件が満たされていない場合-1、記述子の代わりに戻ることで呼び出しは失敗し、エラーの種類がに示されerrnoます。重要なチェックは次のとおりです。
カーネルのコンテキストでは、プロセスのファイル記述子と物理的に開かれたファイルの間に何らかのマッピングが必要です。記述子にマップされる内部データ構造には、ブロックベースのデバイスを処理するさらに別のバッファー、または現在の読み取り/書き込み位置を指す内部ポインターが含まれる場合があります。
man dup2、開いているファイル記述子（たまたま開いているFD）と開いているファイルの説明（OFD）の間の微妙な点を確認してください。
このガイドは、open()システムコールの簡略化されたバージョンでご覧になることをお勧めします。次のコードスニペットを使用します。これは、ファイルを開いたときに舞台裏で行われる処理を表しています。
0 int sys_open(const char *filename, int flags, int mode) {
1 char *tmp = getname(filename);
2 int fd = get_unused_fd();
3 struct file *f = filp_open(tmp, flags, mode);
4 fd_install(fd, f);
5 putname(tmp);
6 return fd;
7 }簡単に言うと、そのコードは行ごとに次のようになります。
filp_open機能は実装してい
struct file *filp_open(const char *filename, int flags, int mode) {
struct nameidata nd;
open_namei(filename, flags, mode, &nd);
return dentry_open(nd.dentry, nd.mnt, flags);
}これは2つのことを行います。
struct fileiノードに関する重要な情報を使用してを作成し、それを返します。この構造体は、前述の開いているファイルのリストのエントリになります。返された構造体をプロセスの開いているファイルのリストに格納（「インストール」）します。
read()、write()とclose()。これらはそれぞれ、制御をカーネルに渡します。カーネルはファイル記述子を使用して、プロセスのリストで対応するファイルポインターを検索し、そのファイルポインターの情報を使用して、実際に読み取り、書き込み、またはクローズを実行します。意欲的である場合は、この単純化された例をopen()、Linuxカーネルでのシステムコールの実装（と呼ばれる関数）と比較できますdo_sys_open()。類似点を見つけるのに問題はないはずです。
もちろん、これは、呼び出し時に何が起きるかの「最上位層」にすぎません。open()より正確には、ファイルを開くプロセスで呼び出されるカーネルコードの最高レベルの部分です。高水準プログラミング言語は、これに追加のレイヤーを追加する場合があります。低いレベルで行われていることがたくさんあります。（説明してくれたRuslanとpjc50に感謝します。）大まかに、上から下へ：
open_namei()dentry_open()カーネルの一部でもあるファイルシステムコードを呼び出して、ファイルとディレクトリのメタデータとコンテンツにアクセスします。ファイルシステムは、ディスクからの生のバイトを読み込み、ファイルやディレクトリのツリーとして、これらのバイトパターンを解釈します。/dev/sda、などを使用して、ブロックデバイスレイヤーから生データにアクセスできます。）これは、キャッシュのために多少不正確になる場合もあります。:-P真剣に、しかし、私が省略した多くの詳細があります-人（私ではない）は、このプロセス全体がどのように機能するかを説明する複数の本を書くことができます。しかし、それはあなたにアイデアを与えるはずです。
話したいファイルシステムやオペレーティングシステムはどれでも結構です。いいね！
ZXスペクトラムでは、LOADコマンドを初期化すると、システムがタイトなループになり、オーディオ入力ラインが読み取られます。
データの開始は一定のトーンで示され、その後に長い/短いパルスのシーケンスが続きます。短いパルスはバイナリ用0で、長いパルスはバイナリ用です1（https://en.wikipedia.org/ wiki / ZX_Spectrum_software）。緊密なロードループは、バイト（8ビット）がいっぱいになるまでビットを収集し、これをメモリに格納し、メモリポインタを増やし、ループバックしてさらに多くのビットをスキャンします。
通常、ローダーが最初に読み取るのは短い固定形式のヘッダーで、少なくとも予期されるバイト数を示し、ファイル名、ファイルタイプ、ロードアドレスなどの追加情報を示します。この短いヘッダーを読み取った後、プログラムはデータのメインバルクのロードを続行するか、ロードルーチンを終了してユーザーに適切なメッセージを表示するかを決定できます。
End-of-file状態は、予想どおりに多くのバイトを受信することで認識できます（固定数のバイト、ソフトウェアに組み込まれている、またはヘッダーに示されているような可変数）。ロードループが予期された周波数範囲のパルスを一定時間受信しなかった場合、エラーがスローされました。
この回答の背景
説明されている手順では、通常のオーディオテープからデータを読み込みます。したがって、オーディオ入力をスキャンする必要があります（標準のプラグでテープレコーダーに接続されています）。LOADコマンドは、技術的には同じであるopenファイル-それは、物理的に結び付けられています実際にファイルをロードします。これは、テープレコーダーがコンピューターによって制御されておらず、ファイルを（正常に）開くことはできないが、ロードすることができないためです。
「タイトループ」が言及されているのは、（1）CPU、Z80-A（メモリが提供されている場合）が非常に遅いためであり、3.5 MHzであり、（2）スペクトラムに内部クロックがないためです。つまり、すべてのTステート（命令時間）を正確にカウントする必要がありました。シングル。命令。そのループ内では、正確なビープタイミングを維持するためだけに使用します。
幸いなことに、その低いCPU速度には、1枚の紙のサイクル数を計算できるという明確な利点があり、したがって、実際にかかる時間も計算できます。
ファイルを開いたときに正確に何が起こるかは、オペレーティングシステムによって異なります。以下では、ファイルを開いたときに何が起こるかがわかり、詳細に興味がある場合はソースコードを確認できるため、Linuxで何が起こるかを説明します。この回答が長くなりすぎるため、許可については取り上げません。
Linuxでは、すべてのファイルは、 iノード。各構造には固有の番号があり、すべてのファイルが取得するiノード番号は1つだけです。この構造には、ファイルのメタデータ（ファイルサイズ、ファイルのアクセス許可、タイムスタンプ、ディスクブロックへのポインターなど）が格納されますが、実際のファイル名自体は格納されません。各ファイル（およびディレクトリ）には、検索用のファイル名エントリとiノード番号が含まれています。ファイルを開くと、適切な権限があると想定して、ファイル名に関連付けられた一意のiノード番号を使用してファイル記述子が作成されます。多くのプロセス/アプリケーションが同じファイルを指すことができるので、inodeにはファイルへのリンクの総数を維持するリンクフィールドがあります。ファイルがディレクトリに存在する場合、そのリンクカウントは1です。ハードリンクがある場合、リンクカウントは2になり、ファイルがプロセスによって開かれる場合、リンクカウントは1ずつ増加します。
主に簿記。これには、「ファイルが存在するか」などのさまざまなチェックが含まれます。「書き込みのためにこのファイルを開く権限はありますか？」
しかし、それはすべてカーネルに関するものです。自分のおもちゃのOSを実装しているのでなければ、掘り下げることはあまりありません（もしそうなら、楽しんでください-それは素晴らしい学習体験です）。もちろん、ファイルを開いているときに受け取る可能性のあるすべてのエラーコードを学習して、適切に処理できるようにする必要があります。
コードレベルで最も重要な部分は、開いているファイルへのハンドルを提供することです。これは、ファイルに対して行う他のすべての操作に使用します。この任意のハンドルの代わりにファイル名を使用できませんか？まあ、確かに-しかし、ハンドルを使用するといくつかの利点があります：
readファイルの最後の位置からです。ハンドルを使用してファイルの特定の「オープン」を識別することにより、同じファイルへの複数の同時ハンドルを持ち、それぞれがそれぞれの場所から読み取ることができます。ある意味では、ハンドルはファイルへの移動可能なウィンドウとして機能します（そして非同期I / O要求を発行する方法であり、非常に便利です）。他にも実行できるいくつかのトリックがあります（たとえば、物理ファイルを使用せずにプロセス間でハンドルを共有して通信チャネルを作成します。UNIXシステムでは、ファイルはデバイスやその他のさまざまな仮想チャネルにも使用されるため、これは必ずしも必要ではありません）、しかし、それらはopen操作自体に実際には関連付けられていないため、ここでは詳しく説明しません。
その中核をなすものを読むために開くとき、空想は実際に起こる必要はない。それが行う必要があるのは、ファイルが存在することを確認し、アプリケーションがそれを読み取り、ファイルに対して読み取りコマンドを発行できるハンドルを作成するための十分な権限を持っていることです。
実際の読み取りがディスパッチされるのは、これらのコマンドです。
多くの場合、OSは、読み取り操作を開始して、ハンドルに関連付けられたバッファーをいっぱいにすることで、読み取りを開始します。その後、実際に読み取りを行うと、ディスクIOで待機する必要がなく、バッファの内容をすぐに返すことができます。
書き込み用に新しいファイルを開くには、OSが新しい（現在は空の）ファイルのディレクトリにエントリを追加する必要があります。そして再び、書き込みコマンドを発行できるハンドルが作成されます。
基本的に、openの呼び出しでは、ファイルを検索し、必要なものをすべて記録して、後のI / O操作でファイルを再度検索できるようにする必要があります。それはかなりあいまいですが、すぐに思いつくすべてのオペレーティングシステムに当てはまります。詳細はプラットフォームごとに異なります。すでにここにある多くの答えは、現代のデスクトップオペレーティングシステムについて語っています。CP / Mで少しプログラミングを行ったので、CP / Mでどのように機能するかについての知識を提供します（MS-DOSはおそらく同じように機能しますが、セキュリティ上の理由から、今日は通常このように行われていません）。
CP / Mでは、FCBと呼ばれるものがあります（Cについて述べたように、それをstructと呼ぶことができます。実際には、さまざまなフィールドを含むRAM内の35バイトの連続した領域です）。FCBには、ファイル名を書き込むフィールドと、ディスクドライブを識別する（4ビット）整数があります。次に、カーネルのOpen Fileを呼び出すときに、CPUのレジスタの1つに配置することにより、この構造体へのポインタを渡します。しばらくして、オペレーティングシステムは構造体をわずかに変更して戻ります。このファイルに対して行うI / Oが何であれ、この構造体へのポインタをシステムコールに渡します。
CP / MはこのFCBで何をしますか？特定のフィールドを独自に使用するために予約し、これらを使用してファイルを追跡するため、プログラム内からこれらのフィールドに触れないようにすることをお勧めします。ファイルを開く操作では、ディスクの先頭にあるテーブルを検索して、FCBにあるものと同じ名前のファイルを探します（ワイルドカード文字「？」は任意の文字に一致します）。ファイルが見つかると、ディスク上のファイルの物理的な場所を含むいくつかの情報がFCBにコピーされ、その後のI / O呼び出しで最終的にBIOSが呼び出され、BIOSがこれらの場所をディスクドライバーに渡します。このレベルでは、詳細は異なります。
簡単に言うと、ファイルを開くときは、実際にオペレーティングシステムに、セカンダリストレージから処理するRAMに目的のファイルをロードする（ファイルの内容をコピーする）ように要求しています。そして、その背後にある理由（ファイルのロード）は、Ramに比べて速度が非常に遅いため、ハードディスクから直接ファイルを処理できないためです。
openコマンドはシステムコールを生成し、システムコールはファイルの内容をセカンダリストレージ（Hard disk）からプライマリストレージ（Ram）にコピーします。
また、ファイルの変更された内容をハードディスク内の元のファイルに反映する必要があるため、ファイルを「閉じる」。:)
お役に立てば幸いです。
CLinux に焦点を当てるためにこの質問を編集します。LinuxとWindowsの動作が異なるためです。そうでなければ、それは少し広すぎます。また、より高いレベルの言語は、システムのC APIを呼び出すか、Cにコンパイルして実行するため、「C」のレベルのままにすると、Least Common Denominatorに配置されます。