Linux系统编程----文件IO

一、文件描述符

• 本质：内核为进程打开的文件分配的非负整数索引，是进程访问文件的唯一标识。
• 分配规则：优先使用当前最小未被使用的文件描述符编号。
• 默认关联：每个进程启动时默认打开 3 个文件描述符：
  • 0：标准输入（stdin）
  • 1：标准输出（stdout）
  • 2：标准错误（stderr）

二、open 函数

头文件：#include <fcntl.h>

函数原型：int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

核心参数：

• pathname: 要打开的文件路径（字符串形式）。

• flags: 指定打开文件的方式，必须包含以下必选项之一：

此外，还可以通过按位或组合以下常用附加标志：

• mode

1. 仅当使用了O_CREAT时，第三个参数才有效，用于指定新创建文件的访问权限（八进制表示，如0666）。

2. 最终权限还会受到进程的umask影响：

   实际权限 = mode & ~umask

返回值

• 成功：返回一个文件描述符（非负整数，如3、4、5等）。

• 失败：返回-1，并设置errno（可用perror或strerror查看错误原因）。

*open与fopen的对应关系

标准IO的fopen实际上就是对open的系统调用进行了封装，并增加了缓冲区管理。下面是常用fopen模式与open标志的对应关系：

示例：

#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> int main(int argc, const char *argv[]) { if (argc != 2) { printf("Usage: %s <filename>\n",argv[0]); return -1; } // 打开文件：只写模式 + 创建（如果不存在）+ 截断(如果文件已存在，打开时会清空原有内容) // 0666：权限设置为 rw-rw-rw- int fd = open(argv[1],O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666); if (fd < 0) { perror("open fail"); return -1; } printf("success\n"); return 0; }

三、read/write函数

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

功能 :

从文件描述符fd指向的文件中读取最多count个字节的数据，并存储到buf指向的缓冲区中。

参数说明 :

返回值

• 成功：返回实际读取的字节数（可能小于count，如到达文件末尾或剩余数据不足）。

• 到达文件末尾：返回0（表示没有更多数据可读）。

• 失败：返回-1，并设置errno。

• 注意：read不保证一次能读到count字节，因此通常需要循环读取直到满足需求或遇到文件结束。

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

功能 :

将buf指向的缓冲区中的count个字节写入到文件描述符fd指向的文件中。

参数说明

返回值

• 成功：返回实际写入的字节数（通常等于count，但可能小于，如磁盘满或信号中断）。

• 失败：返回-1，并设置errno。

示例 : 用read/write实现cp命令

#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> //./a.out src dest int main(int argc, const char *argv[]) { if (argc != 3) { printf("Usage: %s <src> <dest>\n",argv[0]); return -1; } int fd_s = open(argv[1],O_RDONLY); int fd_d = open(argv[2],O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666); if (fd_s < 0 || fd_d < 0) { perror("open fail"); return -1; } //拷贝 char buf[100] = {0}; int ret = 0; while (1) { ret = read(fd_s,buf,sizeof(buf)); if (ret == 0) break; write(fd_d,buf,ret); } //关闭 close(fd_s); close(fd_d); return 0; }

四、lseek函数

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

功能 :

重新定位文件描述符fd关联的文件偏移量（即下一次读写操作开始的位置）。它不进行实际的读写操作，只移动文件内部的位置指针。

参数说明

whence的取值：

返回值

• 成功：返回从文件开头到新位置的字节数（即新的文件偏移量）。

• 失败：返回-1，并设置errno（如fd无效、whence非法等）。

常用 :

off_t pos = lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 返回0（文件开头） off_t end = lseek(fd, 0, SEEK_END); // 返回文件大小（字节数） off_t pos = lseek(fd, 100, SEEK_CUR); // 从当前位置向后移动100字节 off_t pos = lseek(fd, -50, SEEK_END); // 从文件末尾向前移动50字节

获取文件大小 :

off_t file_size = lseek(fd, 0, SEEK_END); // 此时文件偏移量已变为文件末尾，若需后续读写，应重新定位 lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 可选：移回开头

示例 :根据源文件的大小，给目标文件创建一个一样大的空洞文件。

#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> //./a.out src dest int main(int argc, const char *argv[]) { if (argc != 3) { printf("Usage: %s <src> <dest>\n",argv[0]); return -1; } int fd_s = open(argv[1],O_RDONLY); int fd_d = open(argv[2],O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666); if (fd_s < 0 || fd_d < 0) { perror("open fail"); return -1; } // 1. 获取源文件总大小（把指针移到末尾，返回值就是文件字节数） off_t len = lseek(fd_s,0,SEEK_END); // 2. 把目标文件的指针 移动到 【文件大小 - 1】的位置 // 比如源文件是 100 字节，就移动到第 99 个字节的位置 lseek(fd_d,len-1,SEEK_SET); // 3. 在这个位置写入 1 个空字节 write(fd_d,"",1); return 0; }

五、目录操作与文件状态获取

5.1 opendir：打开目录

#include <dirent.h>

DIR *opendir(const char *name);

• 功能：打开名为name的目录，并返回一个目录流指针（DIR*）。

• 参数：name— 目录路径（字符串）。

• 返回值：成功返回DIR*指针；失败返回NULL，并设置errno。

5.2 readdir：读取目录项

struct dirent *readdir(DIR *dirp);

• 功能：从目录流dirp中读取下一个目录项，返回包含该目录项信息的结构体指针。

• 参数：dirp— 由opendir返回的目录流指针。

• 返回值：成功返回struct dirent*指针；失败或读到目录末尾时返回NULL。

struct dirent结构体（不同系统略有差异，但核心成员如下）：

struct dirent { ino_t d_ino; /* inode号 */ off_t d_off; /* 偏移量（非文件偏移） */ unsigned short d_reclen; /* 记录长度 */ unsigned char d_type; /* 文件类型（某些文件系统可能不支持） */ char d_name[256]; /* 文件名（以'\0'结尾） */ };

• d_name：最重要的字段，存储文件名。

• d_type：可快速判断文件类型，其值可以是：

5.3 closedir：关闭目录流

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。

⚠️注意：一个目录流只能关闭一次，多次关闭可能导致未定义行为。

六、获取文件状态：stat系列函数

目录操作只能获得文件名和简单的文件类型（d_type），若需要文件的详细属性（大小、权限、时间戳等），必须使用stat、lstat或fstat。

6.1 stat：获取文件状态

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int stat(const char *pathname, struct stat *statbuf);

• 功能：获取pathname指定文件的属性，存入statbuf指向的结构体。

• 参数：

  • pathname：文件路径。

  • statbuf：指向struct stat的指针，用于接收信息。

• 返回值：成功返回0；失败返回-1，并设置errno。

注意：stat会跟随符号链接（即获取链接指向的目标文件的信息）。若需获取符号链接本身的信息，使用lstat。

6.2 struct stat 结构体

struct stat { dev_t st_dev; /* 设备ID */ ino_t st_ino; /* inode号 */ mode_t st_mode; /* 文件类型和权限 */ nlink_t st_nlink; /* 硬链接数 */ uid_t st_uid; /* 所有者用户ID */ gid_t st_gid; /* 所有者组ID */ dev_t st_rdev; /* 特殊设备ID（仅对设备文件有效） */ off_t st_size; /* 总大小（字节） */ blksize_t st_blksize; /* 文件系统IO块大小 */ blkcnt_t st_blocks; /* 分配的512B块数 */ time_t st_atime; /* 最后访问时间 */ time_t st_mtime; /* 最后修改时间 */ time_t st_ctime; /* 最后状态改变时间 */ };

七、解析文件类型与权限

st_mode字段是一个位掩码，同时包含了文件类型和权限信息。

7.1 获取文件类型

方法一：使用S_IFMT掩码提取类型

mode_t type = st_mode & S_IFMT; switch (type) { case S_IFREG: printf("普通文件"); break; case S_IFDIR: printf("目录"); break; case S_IFLNK: printf("符号链接"); break; case S_IFCHR: printf("字符设备"); break; case S_IFBLK: printf("块设备"); break; case S_IFIFO: printf("FIFO"); break; case S_IFSOCK: printf("套接字"); break; default: printf("未知类型"); break; }

方法二：使用预定义的宏（更简洁）

示例：

if (S_ISREG(st.st_mode)) printf("普通文件");

7.2 获取文件权限

st_mode的低9位（或12位，含setuid等）表示权限。常用宏：

权限可像ls -l那样输出，通常用掩码运算。

八、标准IO与文件IO的互转

在Linux系统编程中，标准IO（FILE*流）和文件IO（文件描述符）两套接口各有优势：标准IO提供缓冲和格式化方便，文件IO更底层、更灵活。通过以下两个函数，可以在两者之间自由转换。

8.1 从文件描述符到流：fdopen

FILE *fdopen(int fd, const char *mode);

• 功能：将一个已打开的文件描述符转换为标准IO流（FILE*）。

• 参数：

  • fd：已打开的文件描述符。

  • mode：与fopen相同的模式字符串（如"r","w","a"等），必须与fd原有的访问模式兼容。

• 返回值：成功返回FILE*指针，失败返回NULL。

注意事项：

• 转换后，对流的操作（如fprintf、fgets）会作用于原文件描述符。

• 关闭流（fclose）时，底层的文件描述符也会自动关闭。

• 转换后不要再单独close(fd)，避免重复关闭。

8.2 从流到文件描述符：fileno

int fileno(FILE *stream);

• 功能：获取标准IO流底层关联的文件描述符。

• 参数：stream— 已打开的FILE*流。

• 返回值：成功返回文件描述符（非负整数），失败返回-1。

注意事项：

• 获取的文件描述符可用于系统调用（如read、write、lseek、fcntl等）。

• 不要手动关闭该文件描述符，因为关闭流（fclose）时会自动关闭它。

• 若同时使用标准IO和系统调用操作同一文件，需注意缓冲问题，必要时调用fflush确保数据一致

混合使用示例 :

// 用open创建文件，转换为流，再用fprintf格式化写入 int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644); FILE *fp = fdopen(fd, "w"); fprintf(fp, "Hello, world!\n"); fclose(fp); // 自动关闭底层fd // 用fopen打开文件，获取fd，再用lseek定位 FILE *fp2 = fopen("data.txt", "r+"); int fd2 = fileno(fp2); off_t size = lseek(fd2, 0, SEEK_END); printf("文件大小: %ld\n", size); fclose(fp2);

四、总结

• fdopen：文件描述符 → 标准IO流，适合需要格式化输出或行缓冲的场景。

• fileno：标准IO流 → 文件描述符，适合需要系统调用精细控制的场景。

• 两者配合，既能享受标准IO的便捷，又能利用系统调用的强大功能。

关键点：转换后只关闭流（fclose），不要重复关闭文件描述符；混合使用时注意缓冲区同步。