<fcntl.h>是Linux/Unix系统下核心的文件控制头文件，主要提供文件描述符操作、文件状态控制、记录锁等核心接口，是系统编程中操作文件的基础。
一、核心概念：文件描述符（File Descriptor）
所有<fcntl.h>的操作都围绕文件描述符（fd） 展开，它是一个非负整数，用于标识进程打开的文件（包括普通文件、设备、管道、socket等）。
1. 系统默认文件描述符
每个进程启动时会默认打开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）
2. 文件描述符的取值范围
- 最小为
0，最大默认受RLIMIT_NOFILE限制（通常为1024或更高，可通过ulimit -n查看/修改）。 - 新打开的文件会分配最小可用的未使用文件描述符。
二、核心函数：fcntl()
fcntl()是<fcntl.h>中最核心的函数，用于对已打开的文件描述符执行多种控制操作，函数原型如下：
c
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );1. 参数说明
fd：目标文件描述符（必须是已打开的有效描述符）。cmd：操作命令（决定fcntl()的功能，是核心参数）。...：可选参数（根据cmd的不同，可能是int类型或struct flock结构体指针）。
2. 返回值
- 成功：根据
cmd返回不同值（如文件状态标志、复制后的新文件描述符等）。 - 失败：返回
-1，并设置errno（如EBADF表示fd无效，EINVAL表示cmd非法）。
3. 常用cmd分类及功能
cmd决定了fcntl()的作用，可分为4大类：
| 类别 | 常用cmd | 功能描述 |
|---|---|---|
| 文件状态标志操作 | F_GETFL | File GET File status FLags ， 获取fd的文件状态标志（如O_RDONLY、O_NONBLOCK等） |
| F_SETFL | File SET File status FLags，设置fd的文件状态标志（仅能修改部分标志，如O_NONBLOCK、O_APPEND） | |
| 文件描述符操作 | F_DUPFD | File Descriptor DUPlicate，复制fd，返回大于等于arg的最小可用fd（不设置FD_CLOEXEC） |
| F_DUPFD_CLOEXEC | File Descriptor DUPlicate with CLOEXEC (Close On EXEC) Flag，复制fd并设置FD_CLOEXEC标志（exec时自动关闭新fd，避免泄漏） | |
| F_GETFD | File Descriptor GET Flags，获取fd的文件描述符标志（目前仅支持FD_CLOEXEC） | |
| F_SETFD | File Descriptor SET Flags，设置fd的文件描述符标志（仅支持FD_CLOEXEC） | |
| 记录锁操作 | F_SETLK | File Record Lock SET (Non-blocking Mode)，设置/释放记录锁（非阻塞模式，获取不到锁时返回-1） |
| F_SETLKW | File Record Lock SET Wait (Blocking Mode)，设置/释放记录锁（阻塞模式，获取不到锁时阻塞等待） | |
| F_GETLK | File Record Lock GET (Holder Process Info)，检查指定区域是否有锁，若有则返回持有锁的进程ID（l_pid） | |
| 其他操作 | F_GETOWN | SIGIO/SIGURG Signal Owner GET，获取接收SIGIO/SIGURG信号的进程ID或线程ID（用于异步I/O） |
| F_SETOWN | SIGIO/SIGURG Signal Owner SET，设置接收SIGIO/SIGURG信号的进程ID或线程ID |
示例：设置文件为非阻塞模式
c
int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0); // 1. 获取当前状态标志
if (flags == -1) { perror("fcntl F_GETFL"); return -1; }
flags |= O_NONBLOCK; // 2. 追加非阻塞标志
if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) == -1) { perror("fcntl F_SETFL"); return -1; }三、关键常量：文件状态标志
文件状态标志通过open()的第二个参数（如O_RDONLY）或fcntl(F_SETFL)设置，分为访问模式标志 和操作模式标志两类。
1. 访问模式标志（不可通过fcntl修改）
O_RDONLY：只读模式（互斥，与O_WRONLY/O_RDWR二选一）O_WRONLY：只写模式O_RDWR：读写模式
2. 操作模式标志（可通过fcntl修改）
O_NONBLOCK：非阻塞模式（I/O操作不阻塞，无数据时返回-1并设errno=EAGAIN）O_APPEND：追加模式（每次write前自动将文件指针移到末尾，原子操作，避免多进程写冲突）O_ASYNC：异步I/O模式（文件状态变化时，向进程发送SIGIO信号）O_DIRECT：直接I/O模式（跳过内核缓冲区，数据直接在用户空间与硬件间传输，需对齐）O_NOATIME：访问文件时不更新atime（文件最后访问时间，用于减少磁盘I/O）
3. 其他常用标志（仅open()时有效）
O_CREAT：文件不存在时创建（需配合第三个参数mode指定文件权限，如0644）O_EXCL：与O_CREAT配合使用，若文件已存在则open()失败（用于确保文件唯一性，如锁文件）O_TRUNC：打开文件时清空文件内容（仅对可写模式有效）O_CLOEXEC：exec()时自动关闭文件描述符（避免fd泄漏到子进程）
四、文件描述符标志：FD_CLOEXEC
文件描述符标志仅有一种：FD_CLOEXEC ，用于控制exec()系统调用时的fd行为。
1. 作用
- 当fd设置
FD_CLOEXEC后，调用exec()启动新程序时，该fd会自动关闭。 - 未设置时，fd会被新程序继承（可能导致资源泄漏，如socket未关闭）。
2. 设置/获取方式
c
// 1. 设置FD_CLOEXEC
int fd_flags = fcntl(fd, F_GETFD, 0);
if (fd_flags == -1) { perror("fcntl F_GETFD"); return -1; }
fd_flags |= FD_CLOEXEC;
if (fcntl(fd, F_SETFD, fd_flags) == -1) { perror("fcntl F_SETFD"); return -1; }
// 2. 推荐方式：open时直接设置O_CLOEXEC（原子操作，避免竞态）
int fd = open("file.txt", O_RDONLY | O_CLOEXEC);五、记录锁（Record Locking）
记录锁是fcntl()提供的细粒度文件锁 ，支持对文件的部分区域（而非整个文件）加锁，用于多进程/线程同步。
1. 核心结构体：struct flock
记录锁的参数通过struct flock传递，定义如下：
c
struct flock {
short l_type; // 锁类型：F_RDLCK（读锁）、F_WRLCK（写锁）、F_UNLCK（解锁）
short l_whence; // 偏移基准：SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前指针）、SEEK_END（文件末尾）
off_t l_start; // 锁区域起始偏移（相对于l_whence）
off_t l_len; // 锁区域长度（0表示从l_start到文件末尾）
pid_t l_pid; // 持有锁的进程ID（F_GETLK时返回，设置锁时忽略）
};2. 锁的特性
- 读锁（共享锁）：多个进程可同时对同一区域加读锁（读-读兼容）。
- 写锁（排他锁）：同一区域只能有一个写锁，且与读锁互斥（写-读、写-写冲突）。
- 继承性 ：子进程（fork后）会继承父进程的锁，但
exec()后锁会自动释放。 - 自动释放：进程退出或关闭fd时，锁会自动释放。
3. 使用示例：对文件前100字节加写锁
c
struct flock lock;
lock.l_type = F_WRLCK; // 写锁
lock.l_whence = SEEK_SET; // 从文件开头算起
lock.l_start = 0; // 起始偏移0
lock.l_len = 100; // 锁100字节
lock.l_pid = 0; // 忽略
// 阻塞加锁（F_SETLKW）
if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == -1) {
perror("fcntl F_SETLKW");
close(fd);
return -1;
}
// 操作文件...
// 解锁
lock.l_type = F_UNLCK;
if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {
perror("fcntl F_SETLK unlock");
}六、常见错误码及原因
调用fcntl()失败时，errno会指示具体原因，需重点关注以下几种：
EBADF：fd不是有效文件描述符，或已被关闭。EINVAL：cmd参数非法，或struct flock成员取值无效（如l_whence不是SEEK_*）。EAGAIN/EWOULDBLOCK：F_SETLK非阻塞模式下，无法获取锁（资源被占用）。EACCES：open()时权限不足（如文件为只读，但用O_WRONLY打开）。ENOLCK：系统锁资源耗尽（记录锁数量达到上限）。
注意事项
- 原子操作优先 ：设置
O_APPEND或O_CLOEXEC时，优先用open()直接指定（原子操作），避免用fcntl()后续修改（可能存在竞态）。 - 非阻塞I/O的错误处理 ：使用
O_NONBLOCK时，需区分"真错误"（如EBADF）和"暂时无数据"（EAGAIN/EWOULDBLOCK），后者可重试。 - 记录锁的局限性 ：记录锁不支持线程间同步（同一进程内线程共享锁），线程同步需用
pthread_mutex_t。 - 权限检查 ：
fcntl()操作需确保进程对文件有对应权限（如加写锁需文件可写）。 - 跨系统兼容性 ：部分标志（如
O_DIRECT）的行为在不同Unix系统（如Linux、FreeBSD）中可能有差异，需针对性测试。