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Linux 系统编程 - 文件IO

news 2026/6/12 9:38:59

文件描述符

文件操作的步骤

（一）打开 -- open系统调用

1. 函数原型

2. 参数详解

3. 返回值

4. 主要 flags参数详解

（二）读文件 -- read

1.函数原型

2. 参数详解

3. 返回值详解

（三）写入文件 -- write

1. 函数原型

2. 参数详解

3. 返回值详解

（四）文件定位 -- lseek函数

1. 函数原型

2. 功能

3. 参数详解

4. whence参数

5. 返回值详解

6. 关键特性和用法

核心使用要点与注意事项

系统调用，操作系统为了方便用户使用系统功能而对外提供的一组系统函数。关于文件操作的相关函数叫文件io。

C库函数，c标准库函数，c语言程序能够运行的地址，默认c库函数都可以调用。关于文件操作的相关函数叫标准io。

标准io和文件io关系

文件描述符

定义：文件描述符是一个非负整数，是 Linux 内核用来标识进程打开文件的索引。可以把它理解为文件在特定进程内的“代号”或“编号”。

核心特点：

进程私有：每个进程都有自己独立的文件描述符表，用于管理本进程打开的所有文件。
分配规则：文件描述符从0开始顺序分配。
标准描述符：0、1、2是系统为每个进程预留的三个标准描述符，通常关联到终端：
- 0 -STDIN_FILENO：标准输入，默认为键盘。
- 1 -STDOUT_FILENO：标准输出，默认为屏幕。
- 2 -STDERR_FILENO：标准错误输出，默认为屏幕。
新文件描述符：新打开的文件，其描述符从3开始分配。

文件操作的步骤

（一）打开 --`open`系统调用

1. 函数原型

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

2. 参数详解

参数	含义	说明
`pathname`	文件路径	需要打开或创建的文件路径（字符串）。
`flags`	打开标志	控制文件的打开/创建方式。多个标志用按位或 (`\\|`) 组合。
`mode`	权限模式	指定新创建文件的访问权限（八进制数，如`0644`），仅在`flags`包含`O_CREAT`时有效。

3. 返回值

情况	返回值
成功	返回一个非负整数，即新打开文件的文件描述符。
失败	返回`-1`，并设置全局变量`errno`以指示具体错误。

4. 主要`flags`参数详解

flags参数用于指定文件的打开方式，是控制open行为的关键。

man fopen可以查到这张表

标志	名称	功能与影响
`O_RDONLY`	只读打开	文件只能用于读取，不能写入。
`O_WRONLY`	只写打开	文件只能用于写入，不能读取。
`O_RDWR`	读写打开	文件既可以读取也可以写入。
`O_CREAT`	创建文件	如果`pathname`指定的文件不存在，则创建它。需要配合`mode`参数。
`O_TRUNC`	截断文件	如果文件已存在且以可写方式 (`O_WRONLY`或`O_RDWR`) 打开，则将其长度截断为0（清空内容）。
`O_APPEND`	追加模式	每次执行`write`操作时，文件偏移量会自动移动到文件末尾，保证写入的内容总是被追加到文件尾部。

组合使用示例：

open(“file.txt”, O_RDONLY);// 以只读方式打开已存在的文件
open(“log.txt”, O_WRONLY \| O_CREAT \| O_APPEND, 0644);// 以只写、追加模式打开文件，不存在则创建，权限为rw-r--r--
open(“temp.dat”, O_RDWR \| O_CREAT \| O_TRUNC, 0666);// 以读写方式打开文件，不存在则创建，存在则清空，权限为rw-rw-rw-

（二）读文件 -- read

1.函数原型

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

2. 参数详解

参数	数据类型	含义与说明
`fd`	`int`	文件描述符，标识要读取的已打开文件。
`buf`	`void *`	缓冲区指针，指向一片用户空间的内存区域，用于存放从文件中读取到的数据。
`count`	`size_t`	请求读取的字节数，表示本次希望从文件中最多读取多少个字节到`buf`中。

3. 返回值详解

返回值	含义与说明
`> 0`	成功，返回实际读取到的字节数。此值可能小于`count`参数，原因包括：文件剩余字节不足、从管道或终端读取、被信号中断等。
`= 0`	表示已到达文件末尾，没有更多数据可读。
`-1`	失败，表示发生了错误。此时会设置全局变量`errno`以指示具体错误原因（如`EINTR`被信号中断，`EBADF`文件描述符无效等）。

（三）写入文件 -- write

1. 函数原型

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

2. 参数详解

参数	数据类型	含义与说明
`fd`	`int`	文件描述符，标识要写入的已打开文件。
`buf`	`const void *`	数据缓冲区指针，指向一片用户空间的内存区域，其中包含要写入文件的数据。
`count`	`size_t`	请求写入的字节数，表示希望从`buf`中取出多少个字节写入文件。

3. 返回值详解

返回值	含义与说明
`> 0`	成功，返回实际写入的字节数。在大多数情况下，此值等于`count`。但如果磁盘空间不足、写入被信号中断、或遇到资源限制（如 RLIMIT_FSIZE），此值可能小于`count`。
`= 0`	通常表示没有写入任何数据。对于普通文件，这很少见；但对于某些特殊文件（如管道、套接字）可能存在。
`-1`	失败，表示发生了错误。此时会设置全局变量`errno`以指示具体错误原因（如`EINTR`被信号中断，`ENOSPC`设备无剩余空间，`EBADF`文件描述符无效等）。

实现cp功能：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> int main(int argc, const char *argv[]) { if(argc != 3) { printf("%s <filename> <filename>\n",argv[0]); return -1; } int fd = open(argv[1],O_RDONLY|O_CREAT,0666); int fd2 = open(argv[2],O_WRONLY|O_CREAT,0666); if(fd < 0 || fd2 <0) { perror("open fail"); return -1; } char buf[1024]; int ret =0; while((ret = read(fd,buf,sizeof(buf)))!=0) { //buf[ret] = '\0'; // 添加字符串结束符 //printf("ret = %d buf = %s\n", ret, buf); write(fd2,buf,ret); } return 0; }

（四）文件定位 --`lseek`函数

1. 函数原型

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

2. 功能

用于移动文件的读写位置指针，实现随机访问。可以读取或写入文件的任意位置，而不仅限于顺序从头到尾。

3. 参数详解

参数	数据类型	含义与说明
`fd`	`int`	文件描述符，标识已打开、可定位的文件。
`offset`	`off_t`	偏移量，表示相对于`whence`指定起点的移动字节数。 -正值：向文件末尾方向移动（向后）。 -负值：向文件开头方向移动（向前）。
`whence`	`int`	起始位置参考点。决定`offset`的计算基准，是一个整型常量。

4.`whence`参数

whence参数通常由以下三个宏定义指定，它们是整数常量，决定了偏移的起点。

宏常量	值（常见）	含义与计算基准
`SEEK_SET`	`0`	文件开头。从文件开始位置计算偏移。新的偏移量 =`offset`。
`SEEK_CUR`	`1`	当前位置。从当前读写指针位置计算偏移。新的偏移量 = 当前偏移 +`offset`。
`SEEK_END`	`2`	文件末尾。从文件结束位置计算偏移。新的偏移量 = 文件大小 +`offset`。

5. 返回值详解

返回值	含义与说明
`>= 0`	成功，返回移动后新的文件偏移量（从文件开头算起的字节数）。
`(off_t)-1`	失败，返回`-1`并设置`errno`以指示错误（如`EBADF`描述符无效，`ESPIPE`文件不支持定位）。

重要提示：返回值是新的偏移量，这是一个非负的、从文件开头计算的字节偏移。即使使用SEEK_CUR或SEEK_END并传入负的offset移动到文件开头之前，也会返回-1表示错误，而不会成功返回一个负的偏移量。

6. 关键特性和用法

特性/用法	说明与示例
获取当前偏移	`off_t curr_pos = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);` （偏移量为0，从当前位置计算，即返回当前偏移量）
移动到文件开头	`lseek(fd, 0, SEEK_SET);`
移动到文件末尾	`off_t end_pos = lseek(fd, 0, SEEK_END);` （常用于获取文件大小，或为追加写做准备）
向前/向后移动	`lseek(fd, 100, SEEK_CUR);`// 从当前位置向后移动100字节 `lseek(fd, -50, SEEK_CUR);`// 从当前位置向前移动50字节
创建文件空洞	如果移动的位置超过了当前文件大小，然后执行`write`操作，会在原文件末尾和新写入位置之间形成“空洞”。这部分不占用实际磁盘块，读起来是0，但会使文件大小增加。

核心使用要点与注意事项

要点	`read`函数	`write`函数
数据流向	从文件 (`fd`) →内存 (`buf`)	从内存 (`buf`) →文件 (`fd`)
缓冲区管理	调用前必须确保`buf`指向的内存空间足够大，至少可容纳`count`字节。	调用前必须确保`buf`指向的内存区域已包含有效数据。
阻塞行为	在默认阻塞模式下，如果文件中无足够数据（如从管道、终端或网络套接字读），调用会阻塞，直到有数据可读或到达文件尾。	在默认阻塞模式下，如果由于设备繁忙等原因无法立即写入（如向管道写但缓冲区满），调用会阻塞，直到可以写入。
典型用法	通常与循环结合使用，以处理“实际读取字节数小于请求字节数”的情况，确保读取完整数据。	通常也应检查返回值，在写入大型数据块时，可能需要多次调用`write`以确保所有数据被写入。
与标准描述符	`fd`可以为`0`(`STDIN_FILENO`)，从标准输入读取。	`fd`可以为`1`(`STDOUT_FILENO`) 或`2`(`STDERR_FILENO`)，分别向标准输出或标准错误输出写入。