《深入浅出 Linux 基础 I/O 操作：从标准库到文件系统》

文章目录

前言
- [1. I/O 的分类与基础概念](#1. I/O 的分类与基础概念)
- - [文件与 I/O 的基本概念](#文件与 I/O 的基本概念)
- [2. 标准库 I/O 接口](#2. 标准库 I/O 接口)
- - [2.1 文件操作](#2.1 文件操作)
  - [2.2 数据读写](#2.2 数据读写)
  - [2.3 文件定位](#2.3 文件定位)
- [3. 系统调用 I/O 接口](#3. 系统调用 I/O 接口)
- - [3.1 打开与关闭文件](#3.1 打开与关闭文件)
  - [3.2 读写数据](#3.2 读写数据)
  - [3.3 文件定位](#3.3 文件定位)
- [4. 文件描述符](#4. 文件描述符)
- [5. 重定向](#5. 重定向)
- - [5.1 标准重定向](#5.1 标准重定向)
  - [5.2 文件描述符重定向](#5.2 文件描述符重定向)
  - [5.3 使用 dup2 实现重定向](#5.3 使用 dup2 实现重定向)
- [6. 文件描述符与流的关系](#6. 文件描述符与流的关系)
- [7. 文件系统与缓冲区](#7. 文件系统与缓冲区)
- - [7.1 文件系统](#7.1 文件系统)
  - [7.2 缓冲区](#7.2 缓冲区)
- [8. 软链接与硬链接](#8. 软链接与硬链接)
- - [8.1 软链接（Symbolic Link）](#8.1 软链接（Symbolic Link）)
  - [8.2 硬链接（Hard Link）](#8.2 硬链接（Hard Link）)
  - [8.3 软链接与硬链接的区别](#8.3 软链接与硬链接的区别)

前言

Linux 操作系统以其高效、灵活的 I/O 机制闻名，它不仅为开发者提供了丰富的接口，还在底层设计上注重性能与可靠性。下面我们将从多角度解析 Linux 的基础 I/O，涵盖从文件读写到文件描述符、重定向、缓冲区管理以及异步 I/O 的方方面面，理清基础 I/O 在 Linux 中的全貌。

1. I/O 的分类与基础概念

在 Linux 中，I/O 操作分为两大类：

标准库 I/O：基于标准 C 库（libc），如 fopen、fread 等，提供高层次接口，支持缓冲操作。
系统调用 I/O：直接调用内核的接口，如 open、read 等，提供底层控制。

文件与 I/O 的基本概念

文件描述符（File Descriptor）：内核用来标识文件的一个整数值，是 Linux 一切 I/O 操作的核心。
流（Stream）：标准库 I/O 操作使用流的抽象，与文件描述符有对应关系。
缓冲区：用于提高性能的数据缓存区。

2. 标准库 I/O 接口

标准库提供了一组简单易用的文件操作接口，这些接口基于流（FILE*）的抽象。

FILE* 是 C 标准库中定义的一个数据类型，用于表示文件流（file stream）

2.1 文件操作

fopen 和 fclose：用于打开和关闭文件。

c 复制代码

FILE *file = fopen("example.txt", "r");
if (file) fclose(file);

模式选项：
- "r"：只读打开。
- "w"：写入打开，清空文件。
- "a"：追加模式打开。
- "b"：二进制模式（可组合）。

2.2 数据读写

文本读写

fgets 和 fputs：按行操作文本。

c 复制代码

char line[256];
fgets(line, sizeof(line), file);  // 从文件读取一行
fputs(line, stdout);             // 输出到标准输出

格式化读写

fprintf 和 fscanf：支持格式化操作。

c 复制代码

fprintf(file, "Name: %s, Age: %d\n", name, age);
fscanf(file, "%s %d", name, &age);

二进制读写

fread 和 fwrite：适用于结构体或块数据操作。

c 复制代码

char buffer[512];
size_t bytesRead = fread(buffer, sizeof(char), 512, file);
fwrite(buffer, sizeof(char), bytesRead, anotherFile);

2.3 文件定位

fseek：调整文件指针位置。

c 复制代码

fseek(file, 0, SEEK_END);  // 移动到文件末尾

ftell：获取当前位置。
c 复制代码
```
long pos = ftell(file);
```
rewind：快速返回文件开头。
c 复制代码
```
rewind(file);
```

3. 系统调用 I/O 接口

系统调用是 Linux 文件 I/O 的基础，提供底层控制，灵活性更强。

3.1 打开与关闭文件

open 和 close：

c 复制代码

int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
if (fd != -1) close(fd);

模式选项：
- O_RDONLY：只读。
- O_WRONLY：只写。
- O_RDWR：读写。
- O_CREAT：文件不存在时创建。

3.2 读写数据

read 和 write：

c 复制代码

char buffer[256];
ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
write(fd, buffer, n);

3.3 文件定位

lseek：调整文件偏移。

c 复制代码

off_t offset = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);  // 获取当前位置

4. 文件描述符

文件描述符是 Linux I/O 操作的核心抽象，每个打开的文件、管道、网络连接都有一个唯一的描述符。

标准文件描述符
- 0：标准输入（stdin）。
- 1：标准输出（stdout）。
- 2：标准错误（stderr）。

5. 重定向

在 Linux 中，重定向是一种将命令的输入或输出从默认位置（如终端）重定向到其他目标（如文件或设备）的功能。常见的重定向操作包括将输出写入文件或从文件读取输入。

除了在 shell 中使用符号（如 > 和 <）实现重定向，开发者还可以通过系统调用 dup2 在程序中动态重定向文件描述符。

5.1 标准重定向

输出重定向：
bash 复制代码
```
$ echo "Hello" > output.txt
```
输入重定向：
bash 复制代码
```
$ wc -l < input.txt
```

5.2 文件描述符重定向

重定向错误输出：
bash 复制代码
```
$ command 2> error.log
```
同时重定向标准输出和错误输出：
bash 复制代码
```
$ command > output.log 2>&1
```

5.3 使用 dup2 实现重定向

dup2 是一个系统调用，用于将一个文件描述符复制到另一个文件描述符，从而实现重定向。

c 复制代码

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 重定向标准输出到文件
    dup2(fd, STDOUT_FILENO);
    close(fd);

    // 输出内容将被写入 output.txt 而不是终端
    printf("Hello, this text is redirected to a file!\n");

    return 0;
}

在上面的例子中，dup2 将标准输出（文件描述符 STDOUT_FILENO）重定向到 output.txt。此后的所有标准输出操作都会写入该文件，而不是显示在终端中。

6. 文件描述符与流的关系

文件描述符是底层的整数标识符，由内核分配，用于标识打开的文件、管道或设备；而流（FILE*）是标准库（如 stdio.h）提供的高级抽象，用于缓冲和格式化的 I/O 操作。

文件流指针结构中包含了文件描述符成员
流（FILE*）通过 fopen 创建。
描述符由 open 返回。

二者转换：

文件流转描述符：
c 复制代码
```
int fd = fileno(file);
```
描述符转文件流：
c 复制代码
```
FILE *file = fdopen(fd, "r");
```

7. 文件系统与缓冲区

7.1 文件系统

Linux 文件系统支持多种类型（如 ext4、XFS、NTFS 等），提供对存储设备的抽象。

文件类型
- 普通文件：存储数据。
- 目录文件：组织文件。
- 设备文件：如 /dev/sda。
- 套接字：如 /var/run/docker.sock。

7.2 缓冲区

标准 I/O 默认启用缓冲区：

全缓冲：如文件流。
行缓冲：如标准输出。
无缓冲：如标准错误。

缓冲区模式可通过 setvbuf 调整：

c 复制代码

setvbuf(file, NULL, _IONBF, 0);  // 设置无缓冲模式

在 Linux 文件系统中，软链接（symbolic link） 和 硬链接（hard link） 是两种实现文件共享或别名的方法。它们有不同的特性和用途。

8. 软链接与硬链接

8.1 软链接（Symbolic Link）

软链接是一个独立的文件，它包含指向另一个文件或目录的路径。软链接类似于 Windows 中的快捷方式。

特点</font>

独立存在：软链接是一个实际的文件，与被链接的目标文件分开存储。
路径指向：软链接存储的是目标文件的路径（绝对路径或相对路径）。
可以跨文件系统：软链接可以指向不同的分区或文件系统上的文件。
链断后无效：如果目标文件被删除或移动，软链接会变成无效的"断链"。

创建软链接

使用 ln -s 命令：

bash 复制代码

ln -s target_file symbolic_link

示例代码

bash 复制代码

$ echo "Hello" > original.txt
$ ln -s original.txt link.txt
$ cat link.txt
Hello
$ rm original.txt
$ cat link.txt
cat: link.txt: No such file or directory

8.2 硬链接（Hard Link）

硬链接是一个直接引用目标文件的文件系统对象。它们指向文件的同一个物理数据块。

特点

共享文件数据：硬链接与目标文件共享相同的 inode，多个硬链接是文件的多个别名。
不可跨文件系统：硬链接只能在同一个分区或文件系统内创建。
目标文件不可删除：目标文件的实际数据只有当所有硬链接都被删除后才会被释放。
链不会断：即使删除目标文件，其数据仍然可以通过硬链接访问。

创建硬链接

使用 ln 命令（不带 -s 选项）：

bash 复制代码

ln target_file hard_link

示例代码

bash 复制代码

$ echo "Hello" > original.txt
$ ln original.txt hardlink.txt
$ rm original.txt
$ cat hardlink.txt
Hello

8.3 软链接与硬链接的区别

特性	软链接	硬链接
指向	指向目标文件的路径	指向目标文件的 inode
文件系统	可以跨文件系统	只能在同一个文件系统内
是否独立	是一个独立文件	是文件的额外别名
目录支持	可以链接目录（需要特权）	不支持
目标文件删除影响	链接失效	链接仍然有效

总结

软链接：更灵活，支持跨文件系统，链断后失效，适用于快捷方式场景。
硬链接：更稳固，多个硬链接共享同一数据块，适用于需要冗余访问或保护文件内容的场景。

《深入浅出 Linux 基础 I/O 操作：从标准库到文件系统》

文章目录

前言

1. I/O 的分类与基础概念

文件与 I/O 的基本概念

2. 标准库 I/O 接口

2.1 文件操作

2.2 数据读写

2.3 文件定位

3. 系统调用 I/O 接口

3.1 打开与关闭文件

3.2 读写数据

3.3 文件定位

4. 文件描述符

5. 重定向

5.1 标准重定向

5.2 文件描述符重定向

5.3 使用 dup2 实现重定向

6. 文件描述符与流的关系

7. 文件系统与缓冲区

7.1 文件系统

7.2 缓冲区

8. 软链接 与 硬链接

8.1 软链接（Symbolic Link）

8.2 硬链接（Hard Link）

8.3 软链接与硬链接的区别

8. 软链接与硬链接