Linux系统编程核心知识指南

本指南将围绕下图所示的核心脉络展开，它清晰展示了Linux环境下处理输入输出的两种核心模型及其关系：

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flowchart TD
    A[Linux 输入/输出 I/O] --> B{选择I/O模型}
    
    B --> C[标准I/O库<br>高级抽象，带缓冲]
    C --> C1[操作对象: 流 FILE*]
    C --> C2[核心函数: fopen, fread/fwrite等]
    C --> C3[缓冲类型: 全/行/无缓冲]
    C --> C4[适用于: 大多数上层应用<br>文件、格式化输出等]
    
    B --> D[文件I/O 系统调用<br>低级接口，无缓冲]
    D --> D1[操作对象: 文件描述符 int fd]
    D --> D2[核心函数: open, read/write等]
    D --> D3[缓冲特性: 无缓冲]
    D --> D4[适用于: 设备、管道、套接字<br>需精细控制的底层操作]
    
    C2 -- 转换 -->|fileno| D1
    D1 -- 转换 -->|fdopen| C1

上图揭示了两者的核心差异与联系，下面我们进入详细讲解。

第一部分：核心I/O模型详解

1. 标准I/O库

定义在 stdio.h中，是ANSI C标准的一部分，为文件操作提供了带缓冲区的高级、可移植接口。

核心思想 ：流 (Stream)。通过 FILE*类型的文件流指针来操作。
三大标准流：程序启动时自动打开。
- stdin(标准输入)
- stdout(标准输出)
- stderr(标准错误)
缓冲模式：
- 全缓冲 ：用于普通文件，默认大小通常为4KB。缓冲区满、程序正常退出或调用fflush()时刷新。
- 行缓冲 ：用于终端交互（如stdout），默认大小通常为1KB。遇到换行符\n、缓冲区满或程序退出时刷新。
- 无缓冲 ：用于stderr，确保错误信息立即输出。

标准I/O操作三步曲：

打开文件 ：fopen
读写操作：
- 字符I/O: fgetc, fputc
- 行I/O: fgets, fputs
- 块I/O: fread, fwrite
- 格式化I/O: fprintf, fscanf
关闭文件 ：fclose

文件定位：

fseek/ ftell/ rewind：移动或获取文件流中的位置。

错误与结束判断：

feof(): 检查是否到达文件末尾。注意：应在读写操作后判断。
ferror(): 检查流是否出错。
clearerr(): 清除流的错误和EOF标志。

2. 文件I/O（系统调用）

定义在 unistd.h等头文件中，是POSIX标准提供的底层、无缓冲的接口，直接与内核交互。

核心思想 ：文件描述符 (File Descriptor)。是一个小的非负整数（int）。
三个标准描述符：
- 0STDIN_FILENO
- 1STDOUT_FILENO
- 2STDERR_FILENO
无缓冲 ：每次read/write都可能引发一次系统调用，效率较低但控制精细。

文件I/O核心函数：

打开/创建 ：open。使用标志位组合（O_RDONLY, O_WRONLY, O_CREAT, O_TRUNC, O_APPEND等）控制打开方式。
读写：read, write。
定位：lseek。
关闭：close。

描述符与流的转换：

fileno(FILE *stream)：获取流底层的文件描述符。
fdopen(int fd, const char *mode)：将已有的文件描述符包装成一个标准I/O流。

第二部分：文件与目录高级操作

1. 目录操作

opendir/ readdir/ closedir：打开、读取、关闭目录流。readdir返回struct dirent，包含文件名等信息。
mkdir/ rmdir：创建/删除目录。
chdir：改变进程的当前工作目录。
getcwd：获取进程的当前工作目录。

2. 文件属性获取

stat/ lstat/ fstat：获取文件状态信息，填充到struct stat结构体中。
- st_mode：文件类型和权限位。通过宏（如S_ISREG()）判断文件类型，通过掩码（如S_IRUSR）检查权限。
- st_size, st_mtime, st_ino等：文件大小、修改时间、inode号等。

3. 链接文件

硬链接 ：link。创建指向同一inode的新目录项。不能跨文件系统，不能链接目录。
符号链接 ：symlink。创建一个特殊文件，内容是被链接文件的路径。功能类似快捷方式。
unlink：删除一个链接（对于文件的最后一个硬链接，会删除文件本身）。
remove：删除文件或空目录（底层调用unlink或rmdir）。
rename：重命名或移动文件。

第三部分：系统信息与时间

1. 时间处理

time：获取自1970年1月1日以来的秒数（日历时间）。
localtime：将日历时间转换为本地时间的struct tm结构。
ctime：将日历时间转换为可读的字符串。
strftime：自定义格式化时间字符串。

2. 用户与组信息

getpwuid/ getpwnam：通过UID或用户名，从/etc/passwd获取用户信息（struct passwd）。
getgrgid/ getgrnam：通过GID或组名，从/etc/group获取组信息（struct group）。

第四部分：错误处理

errno ：全局整数变量，存储最后一次系统调用或库函数调用失败的错误码。#include <errno.h>。
perror(const char *s)：打印描述性错误信息到stderr。格式：s: 错误描述。
strerror(int errnum)：将错误码errnum转换为对应的错误描述字符串。
预定义宏：
- __FILE__, __LINE__, __func__：在代码中插入文件名、行号、函数名，用于调试日志。

第五部分：实用技巧与综合练习

1. 终端颜色控制

通过输出ANSI转义序列改变文本颜色和样式。

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printf("\033[1;31;40m 红色粗体文字 \033[0m\n");
// 格式: \033[显示方式;前景色;背景色m
// \033[0m 用于重置所有属性

2. 综合项目：Minishell

结合以上知识点，可以实现一个简单的Shell，核心流程如下：

打印提示符 ：显示当前目录（getcwd）。
读取命令 ：fgets读取用户输入。
解析命令 ：strtok分割字符串，得到命令和参数。
执行命令：
- 内置命令 ：如cd（调用chdir）、exit。
- 外部命令 ：使用fork创建子进程，exec族函数执行程序。
- 文件操作 ：实现ls（调用opendir/readdir）、cat、cp等。

3. 练习与作业

文件比较器：逐字节比较两个文件是否完全相同。
日志记录器：每隔固定时间，向文件追加带有时间戳的日志信息。
通讯录程序 ：使用结构体和fread/fwrite实现联系人的增删改查和持久化存储。

总结与建议

查阅手册 ：善用man命令，如man 2 open, man 3 printf。
理解差异 ：深刻理解标准I/O （带缓冲，FILE*）与文件I/O （无缓冲，fd）的设计哲学与适用场景。上层应用优先使用标准I/O；设备、管道、网络套接字等底层开发常用文件I/O。
动手实践 ：通过完成my_cp, my_ls, minishell等项目，将分散的知识点融会贯通。