Linux文件IO

CQ_YM2025-12-11 11:55

一、文件 IO 的核心分类：系统调用与标准 IO

Linux 中的文件 IO 主要分为两类：系统调用级文件 IO 和 C 库封装的标准 IO，二者底层逻辑和适用场景差异显著，是掌握文件 IO 的首要前提。

1. 系统调用级文件 IO

系统调用是操作系统内核直接暴露的接口（如open/read/write/close），属于内核态操作，具备以下特点：

  • 操作对象为int类型的文件描述符（File Descriptor），每个打开的文件对应唯一的非负整数（0、1、2 默认分配给标准输入、标准输出、标准错误）；
  • 无用户态缓存，直接与内核交互，适合串口、磁盘设备等对实时性要求高的场景；
  • 函数原型由内核定义，调用时直接触发系统态切换。

2. C 库标准 IO

C 标准库（如stdio.h）对系统调用进行了封装，提供fopen/fread/fwrite/fclose等接口，属于用户态操作，特点如下：

  • 操作对象为FILE*类型的文件流指针，内部封装了文件描述符和缓存区；
  • 自带用户态缓存，减少系统调用次数，提升普通文件（如 txt、log）的读写效率；
  • 跨平台性更好，符合 ANSI C 标准，无需关注不同系统的内核调用差异。

核心对比表

特性 系统调用级文件 IO C 库标准 IO
操作对象 文件描述符（int） 文件流指针（FILE*）
缓存机制 无用户态缓存 有用户态缓存
函数示例 open/read/write/close fopen/fread/fwrite/fclose
依赖层级 直接依赖内核 依赖 C 库，底层调用系统调用
适用场景 设备文件、实时操作 普通文件、批量读写

二、系统调用级文件 IO：核心函数与示例

系统调用是文件 IO 的底层核心，其中open函数是操作的起点，掌握其用法是理解文件 IO 的关键。

1. open 函数：打开 / 创建文件

函数原型
复制代码 
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
参数说明
  • pathname：文件路径（绝对路径或相对路径，如./test.txt、/home/user/data.log）；
  • flags：打开文件的标志，核心取值如下（可通过|组合）：
    • O_RDONLY：只读打开；
    • O_WRONLY：只写打开；
    • O_RDWR：读写打开；
    • O_CREAT：文件不存在时创建（必须配合mode参数）；
    • O_TRUNC：文件存在时清空内容；
    • O_APPEND：以追加模式打开，写入内容追加到文件末尾；
  • mode：文件创建时的权限（仅O_CREAT生效），取值为八进制数（如0644表示用户可读可写，组和其他只读）。
返回值
  • 成功：返回非负整数（文件描述符）；
  • 失败：返回 - 1，并设置errno（可通过perror打印错误信息）。

2. read/write/close：读写与关闭文件

read 函数（读取文件）
复制代码 
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • fd：open 返回的文件描述符；
  • buf：存储读取数据的缓冲区；
  • count：期望读取的字节数；
  • 返回值：成功返回实际读取的字节数（0 表示文件末尾），失败返回 - 1。
write 函数（写入文件）
复制代码 
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • fd：文件描述符；
  • buf：待写入数据的缓冲区；
  • count：期望写入的字节数；
  • 返回值：成功返回实际写入的字节数，失败返回 - 1。
close 函数（关闭文件）
复制代码 
int close(int fd);
  • fd：文件描述符；
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1；
  • 注意：打开的文件必须关闭，否则会导致文件描述符泄露，耗尽系统资源。

3. 完整示例：基于 open 的文件读写

复制代码 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 1. 打开/创建文件：只写模式，不存在则创建，存在则清空，权限0644
    int fd = open("./test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed"); // 打印错误信息（如文件权限不足、路径不存在）
        return -1;
    }
    printf("文件打开成功，文件描述符：%d\n", fd);

    // 2. 写入数据
    const char *write_buf = "Hello Linux File IO!\n";
    ssize_t write_len = write(fd, write_buf, strlen(write_buf));
    if (write_len == -1) {
        perror("write failed");
        close(fd); // 失败时也要关闭文件描述符
        return -1;
    }
    printf("成功写入 %zd 字节数据\n", write_len);

    // 3. 关闭文件
    if (close(fd) == -1) {
        perror("close failed");
        return -1;
    }

    // 4. 重新以只读模式打开文件，读取内容
    fd = open("./test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open for read failed");
        return -1;
    }

    char read_buf[1024] = {0};
    ssize_t read_len = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf) - 1);
    if (read_len == -1) {
        perror("read failed");
        close(fd);
        return -1;
    }
    printf("读取到的数据：%s", read_buf);

    // 5. 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}
编译运行说明

使用gcc编译：

复制代码 
gcc file_io_demo.c -o file_io_demo
./file_io_demo

运行结果：

复制代码 
文件打开成功，文件描述符：3
成功写入 21 字节数据
读取到的数据：Hello Linux File IO!

三、目录 IO 操作：遍历目录内容

除了普通文件，Linux 中目录也是一种特殊文件，需通过专门的函数操作，核心函数为opendir/readdir/closedir。

1. 核心函数说明

opendir（打开目录）
复制代码 
DIR *opendir(const char *name);
  • 参数：目录路径（如./）；
  • 返回值：成功返回DIR*类型的目录流指针，失败返回NULL。
readdir（读取目录项）
复制代码 
struct dirent *readdir(DIR *dirp);
  • 参数：opendir返回的目录流指针；
  • 返回值：成功返回struct dirent结构体（包含文件名d_name、文件类型d_type等），读取到末尾或失败返回NULL。
closedir（关闭目录）
复制代码 
int closedir(DIR *dirp);
  • 参数：目录流指针；
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1。

2. 示例：遍历指定目录下的所有文件

复制代码 
#include <stdio.h>
#include <dirent.h>
#include <errno.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        printf("用法：%s <目录路径>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    // 1. 打开目录
    DIR *dir = opendir(argv[1]);
    if (dir == NULL) {
        perror("opendir failed");
        return -1;
    }

    // 2. 遍历目录项
    struct dirent *entry = NULL;
    printf("目录 %s 下的文件列表：\n", argv[1]);
    while ((entry = readdir(dir)) != NULL) {
        // 跳过.和..目录
        if (strcmp(entry->d_name, ".") == 0 || strcmp(entry->d_name, "..") == 0) {
            continue;
        }
        printf("文件名：%s\n", entry->d_name);
    }

    // 3. 关闭目录
    closedir(dir);
    return 0;
}
编译运行
复制代码 
gcc dir_io_demo.c -o dir_io_demo
./dir_io_demo ./

运行结果（示例）：

复制代码 
目录 ./ 下的文件列表：
file_io_demo
file_io_demo.c
dir_io_demo
dir_io_demo.c
test.txt

四、工程化管理：用 Makefile 简化编译

当文件 IO 代码分散在多个源文件时，手动编译效率低下，可通过 Makefile 实现一键编译、清理，以下是适配上述示例的 Makefile。

1. 多文件 Makefile 示例

假设项目包含main.c（主逻辑）、file_io.c（文件 IO 封装）、dir_io.c（目录 IO 封装），Makefile 编写如下：

makefile

复制代码 
# 定义变量：编译器、编译选项、源文件、目标程序
CC = gcc
CFLAGS = -g -Wall -O2  # -g调试信息，-Wall显示警告，-O2优化
SRC = main.c file_io.c dir_io.c
TARGET = io_project

# 默认目标：编译生成可执行文件
all: $(TARGET)

# 编译规则：目标程序依赖源文件
$(TARGET): $(SRC)
	$(CC) $(CFLAGS) $^ -o $@  # $^表示所有依赖文件，$@表示目标文件

# 清理规则：删除可执行文件和临时文件
clean:
	rm -rf $(TARGET) *.o

# 伪目标声明（避免与同名文件冲突）
.PHONY: all clean

2. Makefile 使用说明

  • 编译项目：直接执行make，自动编译所有源文件生成io_project；
  • 清理文件：执行make clean，删除可执行文件和编译产生的.o文件；
  • 增量编译：修改部分源文件后，make仅重新编译修改的文件，提升效率。

五、关键注意事项与避坑指南

  1. 文件描述符泄露 ：所有open打开的文件描述符、opendir打开的目录流，必须通过close/closedir关闭，长期运行的程序（如服务端）泄露会导致系统资源耗尽；
  2. 权限问题 ：open的mode参数仅在创建文件时生效，且最终权限会受umask（默认权限掩码）影响（实际权限 = mode & ~umask）；
  3. 缓存刷新 ：标准 IO 的缓存区需通过fflush手动刷新，否则数据可能滞留缓存区未写入磁盘；
  4. 错误处理 ：所有 IO 函数的返回值必须检查，通过perror或strerror(errno)定位错误原因。
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