【Linux 系统编程】文件 IO 与 Makefile 核心实战：从系统调用到工程编译

麒qiqi2025-12-12 12:26

一、文件 IO 核心概念：系统调用 vs 标准 IO

在 Linux 中操作文件有两种核心方式：文件 IO（系统调用） 和标准 IO（C 库函数），二者底层关联但适用场景不同。

1.1 核心定义

类型 本质 核心特征 适用场景
文件 IO 操作系统对外提供的系统调用函数 无缓冲区、文件描述符（int）、功能强大 设备文件（如/dev下设备）、实时性要求高的场景
标准 IO C 标准库封装的文件操作函数 带缓冲区、文件流指针（FILE*）、跨平台 普通文件（文本 / 二进制）、通用文件操作

1.2 核心关系

  • 底层依赖：标准 IO（C 库）是对文件 IO（系统调用）的封装，跨平台特性由 C 库保证，而系统调用是 Linux 内核直接提供的功能；
  • 缓存差异：标准 IO 的缓冲区减少了系统调用次数（提升普通文件操作效率），文件 IO 无缓存，直接操作内核资源（适合设备文件）；
  • 操作对象：文件 IO 用 "文件描述符（fd）" 标识文件，标准 IO 用 "文件流指针（FILE*）" 标识。

1.3 共同点与区别

维度 共同点 区别
核心目标 均用于文件读写操作 文件 IO：无缓存、fd、系统调用；标准 IO：有缓存、FILE*、C 库封装
跨平台性 - 文件 IO：依赖具体系统（如 Linux）；标准 IO：跨平台（Windows/Linux 通用）
效率 - 普通文件：标准 IO 更高（缓存）；设备文件：文件 IO 更优（实时）

二、文件 IO 核心函数：open/read/write/close

文件 IO 的操作流程遵循 "打开→读写→关闭" 的固定范式，核心依赖open/read/write/close四个系统调用。

2.1 打开文件：open

函数原型

c

运行

复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
核心参数
参数 说明 常用取值
pathname 文件路径（绝对 / 相对路径） "1.txt"、"/etc/passwd"
flags 打开模式（必选 + 可选组合） 必选：O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（读写）可选：O_CREAT（创建文件）、O_TRUNC（清空文件）、O_APPEND（追加写）
mode 文件权限（仅O_CREAT时有效） 0666（读写权限）、0777（读写执行权限）
返回值
  • 成功：返回非负整数（文件描述符，fd，唯一标识打开的文件）；
  • 失败：返回 - 1（可通过perror查看错误原因）。
示例

c

运行

复制代码 
// 以只写+创建+清空模式打开1.txt，权限0666
int fd = open("1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
if (fd == -1) {
    perror("open failed");
    return 1;
}

2.2 读取文件：read

函数原型

c

运行

复制代码 
#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
核心参数
参数 说明
fd 目标文件的文件描述符（open 返回值）
buf 接收数据的内存缓冲区（需提前分配空间）
count 本次读取的最大字节数（建议大于文件实际大小）
返回值

  • 0：实际读取到的字节数；

  • ==0：文件读取到末尾；
  • <0：读取失败（如 fd 无效、文件不存在）。
示例

c

运行

复制代码 
char buf[1024] = {0};
// 从fd读取最多1024字节到buf
ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (n < 0) {
    perror("read failed");
    close(fd);
    return 1;
}
printf("读取到%d字节：%s\n", n, buf);

2.3 写入文件：write

函数原型

c

运行

复制代码 
#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
核心参数
参数 说明
fd 目标文件的文件描述符
buf 待写入文件的数据缓冲区
count 待写入数据的有效长度（如strlen(buf)）
返回值

  • 0：实际写入的字节数；

  • ==0：未写入任何字节（普通文件不会出现，设备文件可能）；
  • <0：写入失败。
示例

c

运行

复制代码 
char *data = "Hello Linux File IO!";
// 写入data到fd，长度为字符串有效长度
ssize_t n = write(fd, data, strlen(data));
if (n < 0) {
    perror("write failed");
    close(fd);
    return 1;
}
printf("写入%d字节\n", n);

2.4 关闭文件：close

函数原型

c

运行

复制代码 
#include <unistd.h>

int close(int fd);
核心说明
  • 功能：释放文件描述符对应的内核资源（必须调用，否则会导致资源泄漏）；
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1。
示例

c

运行

复制代码 
if (close(fd) == -1) {
    perror("close failed");
    return 1;
}

三、目录操作：opendir/readdir/closedir

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，流程为 "打开目录→读取目录→关闭目录"。

3.1 打开目录：opendir

函数原型

c

运行

复制代码 
#include <dirent.h>

DIR *opendir(const char *name);
  • 功能：打开指定目录，返回目录流指针；
  • 参数：name为目录路径（如"."、"/home"）；
  • 返回值：成功返回DIR*（目录流指针），失败返回 NULL。

3.2 读取目录：readdir

函数原型

c

运行

复制代码 
#include <dirent.h>

struct dirent *readdir(DIR *dirp);
  • 功能：从目录流中读取一个文件 / 子目录的信息；
  • 参数：dirp为opendir返回的目录流指针；
  • 返回值：
    • 成功：返回struct dirent*（包含文件名、文件类型等信息）；
    • 失败 / 目录末尾：返回 NULL。
核心结构体（struct dirent）

c

运行

复制代码 
struct dirent {
    ino_t          d_ino;       // 索引节点号
    char           d_name[256]; // 文件名（核心字段）
    // 其他字段：文件类型、偏移量等
};

3.3 关闭目录：closedir

函数原型

c

运行

复制代码 
#include <dirent.h>

int closedir(DIR *dirp);
  • 功能：关闭目录流，释放资源；
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1。

3.4 目录操作示例

c

运行

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

int main() {
    // 打开当前目录
    DIR *dir = opendir(".");
    if (dir == NULL) {
        perror("opendir failed");
        return 1;
    }

    // 遍历目录中的文件
    struct dirent *entry;
    while ((entry = readdir(dir)) != NULL) {
        printf("文件名：%s\n", entry->d_name);
    }

    // 关闭目录
    closedir(dir);
    return 0;
}

四、Makefile：Linux 工程编译的 "一键工具"

当工程包含多个源文件时，手动执行gcc编译效率极低，Makefile 可实现 "一键编译"，自动管理编译依赖和规则。

4.1 Makefile 核心概念

  • 命令 ：执行make命令时，系统会查找当前目录的makefile/Makefile文件并执行；
  • 核心规则 ：目标：依赖\n\t规则（TAB 缩进是关键，不能用空格）；
    • 目标：要生成的文件（如a.out）或操作（如clean）；
    • 依赖：生成目标所需的文件（如main.c、func.c）；
    • 规则：生成目标的编译命令（如gcc main.c func.c -o a.out）。

4.2 Makefile 编写进阶（从基础到通用）

版本 1：基础规则（固定依赖）

makefile

复制代码 
# 目标：a.out；依赖：main.c、func.c
a.out:main.c func.c
	gcc main.c func.c -o a.out

# 无依赖的目标（清理编译产物）
clean:
	rm -f a.out
  • 执行make：编译生成a.out（仅当依赖文件修改时重新编译）；
  • 执行make clean：删除a.out；
  • 缺点：依赖文件 / 编译命令固定，修改时需全量改动。
版本 2：内置变量（简化规则）

Makefile 提供内置变量简化编写，核心内置变量：

  • $^：当前规则的所有依赖文件；
  • $@：当前规则的目标文件。

makefile

复制代码 
a.out:main.c func.c
	gcc $^ -o $@  # 等价于 gcc main.c func.c -o a.out

clean:
	rm -f $@      # 等价于 rm -f a.out
版本 3：自定义变量（通用模板）

通过自定义变量适配不同工程，可灵活修改源文件、目标名、编译选项：

makefile

复制代码 
# 自定义变量：源文件、目标名、编译选项
SRC = main.c
SRC += func.c   # 追加源文件
APP = a.out
FLAG = -g       # 编译调试信息

# 规则：依赖为SRC，目标为APP
$(APP):$(SRC)
	gcc $^ -o $@ $(FLAG)  # 加入编译选项

# 清理规则
clean:
	rm -f $(APP)

4.3 Makefile 核心特性

  • 增量编译 ：仅当依赖文件（如main.c）修改时，才重新编译生成目标（a.out），未修改则提示is up to date；
  • 多目标支持 ：可定义多个目标（如all、clean、install），执行make 目标名即可触发对应规则；
  • 工程管理：支持跨目录源文件编译、自定义编译脚本，是大型 Linux 工程的标配。

五、核心实战：文件 IO + Makefile 完整示例

5.1 源文件（main.c）

c

运行

复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 1. 打开文件
    int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed");
        return 1;
    }

    // 2. 写入文件
    char *data = "Hello File IO!\n";
    write(fd, data, strlen(data));

    // 3. 关闭文件
    close(fd);

    // 重新打开读取
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed");
        return 1;
    }

    char buf[1024] = {0};
    read(fd, buf, sizeof(buf));
    printf("读取内容：%s", buf);

    close(fd);
    return 0;
}

5.2 Makefile

makefile

复制代码 
SRC = main.c
APP = file_io_demo
FLAG = -g

$(APP):$(SRC)
	gcc $^ -o $@ $(FLAG)

clean:
	rm -f $(APP) test.txt

5.3 编译 & 运行

bash

运行

复制代码 
# 编译
make
# 运行
./file_io_demo
# 清理
make clean

六、核心总结

  1. 文件 IO：基于系统调用，无缓存、用文件描述符，适合设备文件 / 实时场景；标准 IO 基于 C 库封装，有缓存、跨平台，适合普通文件；
  2. 文件操作流程：打开（open）→ 读写（read/write）→ 关闭（close），目录操作需用 opendir/readdir/closedir；
  3. Makefile：核心规则为 "目标：依赖 + 规则"，通过内置 / 自定义变量实现通用编译模板，支持增量编译，是 Linux 工程编译的核心工具；
  4. 实战中需结合场景选择文件操作方式，通过 Makefile 简化编译流程，提升开发效率。
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