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纸上流年：Linux基础IO的文件理解与操作

news 2026/3/27 0:12:42

本文将带您走进Linux基础IO的世界，深入理解文件的概念与操作，探索数字与现实交织的美妙。

🌇序章

文件操作是基础IO学习的第一步，我们在C语言进阶中，就已经学习了文件相关操作，比如fopen和fclose，语言层面只要会用就行，但对于系统学习者来说，还要清楚这些函数是如何与硬件进行交互的

调用库函数进行文件操作时的流程

在这里插入图片描述

🏙️正文

一、文件理解

先来通过几个问题来理解文件

文件操作的本质是什么？

语言层面的文件操作就是直接使用库函数，而事实上，文件操作是系统层面的问题，就像进程管理一样，系统也会通过先描述，再组织的方式对文件进行管理、操作

只有 C/C++ 这种偏底层的语言才有文件操作吗？

并不是，其他语言也支持文件操作，如 Java；在进行文件操作时，不同语言使用方法可能有所不同，但本质上都是在调用系统级接口进行操作,通过封装实现在不同环境下的文件操作

文件由什么构成？一般文件放在哪里？

文件 = 内容 + 属性
未使用的文件位于磁盘，而使用中的文件属性会被加载至内存中
本文讨论的是已被加载至内存文件的相关操作

系统是如何区分文件的？

文件可以同时被多次使用，OS 为了管理好文件，会像使用task_struct管理进程一样，通过struct file存储文件属性进行管理
struct file结构体包含了文件的各种属性和链接关系

文件是由谁打开的？

由用户创建进程，调用系统级接口，再交给OS完成文件打开任务，文件写入与读取时也是同理

总结：真正的文件操作需要结合系统底层学习，而我们之前的文件操作都是进程与OS间的交互

二、C语言文件操作

在学习系统级文件操作前，需要先回顾一下C语言中的文件操作

2.1、文件打开

代码语言：javascript

AI代码解释

FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );

通过文件名以指定打开方式，打开文件

打开方式(参数2)

w 只写，如果文件不存在，会新建，文件写入前，会先清空内容
a 追加，在文件末尾，对文件进行追加写入，追加前不会清空内容
r 只读，打开已存在的文件进行读取，若文件不存在，会打开失败
w+、a+、r+ 读写兼具，区别在于是否会新建文件，只有 r+ 不会新建

若文件打开失败，会返回空 NULL，可以在打开后判断是否成功

注意：若参数1直接使用文件名，则此文件需要位于当前程序目录下，如果想指定目录存放，可以使用绝对路径

2.2、文件关闭

文件打开并使用后需要关闭，就像动态内存申请后需要释放一样

代码语言：javascript

AI代码解释

int fclose ( FILE * stream );

关闭已打开文件，只需通过 FILE* 指针进行操作即可

代码语言：javascript

AI代码解释

//对上面打开的文件进行关闭 //无论以哪种方式打开，关闭方法都一样 fclose(fp1); fclose(fp2); fclose(fp3); fclose(fp4); fclose(fp5); fclose(fp6);

注意：只能对已打开的文件进行关闭，若文件不存在，会报错

2.3、文件写入

C语言对于文件写入有这几种方式：fputc、fputs、fwrite、fprintf 和 snprintf

代码语言：javascript

AI代码解释

int fputc ( int character, FILE * stream ); int fputs ( const char * str, FILE * stream ); size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream ); int snprintf ( char * s, size_t n, const char * format, ... );

前几种方式比较简单，无非就是逐字符写入、逐行写入与格式化写入，这里主要来介绍一下snprintf

snprintf是sprintf的优化版，增加了读取字符长度控制，更加安全

参数1：缓冲区，常写做 buffer 数组
参数2：缓冲区的大小
参数3：格式化输入，比如 “%d\n”, 10
使用 snprintf 函数写入数据至缓冲区后，可以再次通过 fputs 函数，将缓冲区中的数据真正写入文件中

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define LOG "log.txt" //日志文件 #define SIZE 32 int main() { FILE* fp = fopen(LOG, "w"); if(!fp) { perror("fopen file fail!"); //报错 exit(-1); //终止进程 } char buffer[SIZE]; //缓冲区 int cnt = 5; while(cnt--) { snprintf(buffer, SIZE, "%s\n", "Hello File!"); //写入数据至缓冲区 fputs(buffer, fp); //将缓冲区中的内容写入文件中 } fclose(fp); fp = NULL; return 0; }

在这里插入图片描述

得益于格式化控制，可以灵活地向日志文件中写入内容

2.4、文件读取

读取与写入配套出现

代码语言：javascript

AI代码解释

int fgetc ( FILE * stream ); char * fgets ( char * str, int num, FILE * stream ); size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream ); int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... ); int sscanf ( const char * s, const char * format, ...);

可以使用sscanf按照一定的规则格式化读取字符串s

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <stdio.h> int main() { char s[] = "2025:4:24"; int arr[3]; char* buffer[4]; sscanf(s, "%d:%d:%d", arr, arr + 1, arr + 2); printf("%d\n%d\n%d\n", arr[0], arr[1], arr[2]); return 0; }

在这里插入图片描述

这个函数多用于序列化与反序列化操作

三、系统级文件操作

回顾完C语言文件相关操作后，就可以开始系统级文件操作的学习了

3.1、打开 open

首先学习如何直接调用调用系统级函数open打开文件

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int open(const char *pathname, int flags); int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); //可以修改权限

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3.1.1、函数理解

返回值：不同于 FILE*，系统级文件打开函数返回类型为 int，即文件描述符（ file descriptor ），文件打开失败返回 -1
参数1：pathname 待操作文件名，和 fopen 一样
参数2：flags 打开选项，open 使用的标记位的方式传递选项信号，用一个 int 至多可以表示 32 个选项
参数3：mode 权限设置，文件起始权限为 0666

主要就是参数2有点复杂，使用了位图的方式进行多参数传递

在这里插入图片描述

可以利用这个特性，写一个关于位图的小demo

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define ONE 0x1 #define TWO 0x2 #define THREE 0x4 void Test(int flags) { //模拟实现三种选项传递 if(flags & ONE) printf("This is one\n"); if(flags & TWO) printf("This is two\n"); if(flags & THREE) printf("This is three\n"); } int main() { Test(ONE | TWO | THREE); printf("-----------------------------------\n"); Test(ONE); //位图使得选项传递更加灵活 return 0; }

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数 open 中的参数2正是位图，其参数有很多个，这里列举部分

代码语言：javascript

AI代码解释

O_RDONLY //只读 O_WRONLY //只写 O_APPEND //追加 O_CREAT //新建 O_TRUNC //清空

实际使用时，可以按照位图demo中的方式进行参数传递

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> #include <unistd.h> //write 的头文件 #define LOG "log.txt" //日志文件 #define SIZE 32 int main() { //三种参数组合，就构成了 fopen 中的 w int fd = open(LOG, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); //权限最好设置 if(fd == -1) { perror("open file fail1"); exit(-1); } const char* ps = "Hello System Call!\n"; int cnt = 5; while(cnt--) write(fd, ps, strlen(ps)); //不能将 '\0' 写入文件中 close(fd); return 0; }

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注意：

假若文件不存在，open 中的参数3最好进行设置，否则创建出来的文件权限为随机值
继承环境变量表后，umask 默认为 0002，当然也可以自定义-

在这里插入图片描述

通过系统级函数 write 写入字符串时，不要刻意加上 ‘\0’，因为对于系统来说，这也只是一个普通的字（‘\0’ 作为字符串结尾只是 C语言的规定）

C语言中的fopen调用open函数，其中的选项对应关系如下

w -> O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC
a -> O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND
r -> O_RDONLY …… 所以只要我们想，使用open时，也能做到只读方式打开不存在的文件，也不会报错，加个O_CREAT参数即可

3.2、关闭 close

close函数根据文件描述符关闭文件

代码语言：javascript

AI代码解释

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

Linux 下一切皆文件

包括这三个标准流：stdin、stdout、stderr
它们的文件描述符依次为：0、1、2，也可以通过 close(1) 的方式，关闭标准流

文件描述符的分配规则为最近的且未被使用的数字，下一章重定向会对其详细介绍。

3.3、写入 write

write函数的返回值类型有点特殊，但使用方法与fwrite基本一致

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <unistd.h> ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);

向文件中写入字符串，前面已经演示过了~

3.4、读取 read

read读取很淳朴，只支持指定字符数读取

文件读取时，同样是借助缓冲区进行读取

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <unistd.h> ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> #include <unistd.h> //write 的头文件 #define LOG "log.txt" //日志文件 #define SIZE 1024 int main() { int fd = open("test.c", O_RDONLY); if(fd == -1) { perror("open file fail1"); exit(-1); } int n = 50; //读取50个字符 char buffer[SIZE]; int pos = 0; while(n--) { read(fd, (char*)buffer + pos, 1); pos++; } printf("%s\n", buffer); close(fd); return 0; }

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这些系统级函数成功使用的前提是文件描述符合法