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Linux 文件 IO 详解：从系统调用到实际操作

news 2025/7/12 18:50:43

在 Linux 系统中，文件 IO 是用户与系统交互的核心方式之一。无论是操作普通文件、设备文件，还是进行目录遍历，都离不开系统提供的文件 IO 接口。本文将深入解析 Linux 文件 IO 的核心概念、系统调用函数及实际应用场景，帮助你掌握从底层到应用的文件操作逻辑。

一、Linux 文件 IO 基础：系统调用与 C 库封装

Linux 操作系统通过系统调用向用户提供文件操作功能，这些系统调用是内核暴露的底层接口，直接与硬件或文件系统交互。而 C 标准库（如 glibc）则对这些系统调用进行了封装，提供了更易用的函数（如 fopen、fread 等），并增加了缓冲区机制提升效率。

值得注意的是：

系统调用的文件 IO（如 open、read）没有缓冲区，适合操作设备文件（如打印机、终端）
C 库 IO 函数（如 fopen、fread）有缓冲区，更适合普通文件操作

二、文件类型与权限：理解 `ll` 命令的输出

在 Linux 中，"一切皆文件"，不同类型的文件通过权限字符串的第一个字符区分。使用 ll（即 ls -l）命令可以查看文件类型和权限，例如：

-rw-rw-r--  1 user group 1024 Jul 10 16:00 test.txt
drwxrwxr-x  2 user group 4096 Jul 10 16:00 docs/
lrwxrwxrwx  1 user group    5 Jul 10 16:00 link -> test.txt
crw-rw-r--  1 root root  1, 3 Jul 10 16:00 /dev/null
brw-rw-r--  1 root root  8, 0 Jul 10 16:00 /dev/sda

1. 文件类型标识

权限字符串的第一个字符代表文件类型：

-：普通文件（文本、二进制等）
d：目录
l：软链接（快捷方式）
s：socket 网络文件（用于进程间网络通信）
p：管道文件（用于进程间通信）
c：字符设备（如键盘、终端，按字符流处理）
b：块设备（如硬盘、U 盘，按块处理的存储设备）

2. 文件权限解析

权限字符串后 9 个字符分为 3 组，分别代表所有者权限、组用户权限、其他用户权限，每组包含 r（读）、w（写）、x（执行）三个权限：

以 rw- rw- r-- 为例：

所有者（第一组）：rw- → 可读、可写、不可执行
组用户（第二组）：rw- → 可读、可写、不可执行
其他用户（第三组）：r-- → 可读、不可写、不可执行

权限可以用八进制数表示（每组 3 个二进制位对应一个八进制数）：

r=4、w=2、x=1
例如 rwx 对应 7（4+2+1），rw- 对应 6（4+2），r-- 对应 4

3. 权限与 umask

新建文件的默认权限由umask（权限掩码）决定，计算方式为：
默认权限 = 0666（普通文件）/0777（可执行文件/目录） - umask

例如，当 umask 为 002 时：

普通文件默认权限：0666 - 002 = 0664（对应 rw-rw-r--）
目录默认权限：0777 - 002 = 0775（对应 rwxrwxr-x）

三、文件描述符：Linux 文件 IO 的 "身份证"

在 Linux 中，所有打开的文件都通过文件描述符（File Descriptor）标识，这是一个非负整数（int 类型），范围通常是 0-1023（默认最多打开 1024 个文件，可通过系统配置修改）。

系统默认打开三个文件描述符：

0：标准输入（stdin，通常对应键盘）
1：标准输出（stdout，通常对应终端）
2：标准错误（stderr，通常对应终端）

当我们打开新文件时，系统会从 3 开始分配未使用的最小描述符。

四、核心系统调用函数：直接操作文件的 "工具集"

Linux 提供了一组基础的文件 IO 系统调用，这些函数没有缓冲区，适合操作设备文件（如终端、打印机），也可用于普通文件操作。

1. open：打开文件

#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

功能：打开或创建文件
参数：
- pathname：文件路径
- flags：打开方式（如 O_RDONLY 只读、O_WRONLY 只写、O_RDWR 读写、O_CREAT 不存在则创建）
- mode：创建文件时的权限（如 0664，仅 O_CREAT 时有效）
返回值：成功返回文件描述符，失败返回 -1（设置 errno）

2. read/write：读写文件

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

功能：从文件描述符 fd 读写数据
参数：
- fd：文件描述符
- buf：数据缓冲区（read 是读出到缓冲区，write 是从缓冲区写入）
- count：read 最多读取的字节数（可大于实际内容）；write 要写入的有效字节数
返回值：成功返回实际读写的字节数，失败返回 -1，read 读到文件尾返回 0

3. close：关闭文件

#include <unistd.h>
int close(int fd);

功能：关闭文件描述符，释放资源
返回值：成功返回 0，失败返回 -1

4. lseek：移动文件指针

#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

功能：调整文件读写指针的位置
参数：
- offset：偏移量
- whence：基准位置（SEEK_SET 从文件头、SEEK_CUR 从当前位置、SEEK_END 从文件尾）
返回值：成功返回新指针位置（相对于文件头），失败返回 -1

5. fileno：获取 FILE 指针对应的文件描述符

#include <stdio.h>
int fileno(FILE *stream);

功能：将 C 库的 FILE* 指针（如 stdin、fopen 返回的指针）转换为文件描述符
返回值：成功返回文件描述符，失败返回 -1

五、目录操作：遍历文件系统的 "导航仪"

目录也是一种特殊的文件，Linux 提供了专门的目录操作函数：

1. opendir：打开目录

#include <dirent.h>
DIR *opendir(const char *name);

功能：打开目录并返回目录流指针
返回值：成功返回 DIR* 指针，失败返回 NULL

2. readdir：读取目录项

#include <dirent.h>
struct dirent *readdir(DIR *dirp);

功能：从目录流中读取一个目录项（文件 / 子目录）
返回值：成功返回 struct dirent* 指针（包含文件名、inode 等信息），读到末尾或失败返回 NULL

3. closedir：关闭目录

#include <dirent.h>
int closedir(DIR *dirp);

功能：关闭目录流，释放资源
返回值：成功返回 0，失败返回 -1

六、C 库 IO 函数：带缓冲区的 "高级封装"

C 标准库对系统调用进行了封装，提供了带缓冲区的 IO 函数，更适合普通文件操作：

文本文件操作：fgetc（读字符）、fgets（读行）、fputc（写字符）、fputs（写行）等
二进制文件操作：fread（读块）、fwrite（写块）等

这些函数通过 FILE* 指针操作文件，内部维护缓冲区，减少系统调用次数，提高效率。

七、实践示例：用系统调用实现文件复制

下面是一个使用 open、read、write 实现文件复制的简单程序：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>#define BUF_SIZE 1024int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 3) {fprintf(stderr, "用法：%s <源文件> <目标文件>\n", argv[0]);return 1;}// 打开源文件（只读）int src_fd = open(argv[1], O_RDONLY);if (src_fd == -1) {perror("打开源文件失败");return 1;}// 打开目标文件（只写，不存在则创建，权限 0664）int dest_fd = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0664);if (dest_fd == -1) {perror("打开目标文件失败");close(src_fd);return 1;}// 读写数据char buf[BUF_SIZE];ssize_t n;while ((n = read(src_fd, buf, BUF_SIZE)) > 0) {if (write(dest_fd, buf, n) != n) {perror("写入失败");close(src_fd);close(dest_fd);return 1;}}if (n == -1) {perror("读取失败");}// 关闭文件close(src_fd);close(dest_fd);return 0;
}