【linux基础I/O(一)】文件系统调用接口&文件描述符详谈

HABuo2026-01-27 9:01

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目录

📚一、C语言的文件接口

📚二、文件相关共识问题

📚三、操作文件的系统调用接口

[📖3.1 open](#📖3.1 open)

[📖3.2 close](#📖3.2 close)

[📖3.3 write](#📖3.3 write)

[📖3.4 read](#📖3.4 read)

📚四、文件描述符

[📖4.1 文件描述符的本质](#📖4.1 文件描述符的本质)

📚五、总结

前言 ：

前几篇博客我们认识了进程控制的相关知识，如何创建进程、退出进程有哪些信息需要给父进程、进程等待是什么、进程程序替换做了那些事？如果记忆模糊请返回继续阅读。本篇博客我们将进入文件部分相关知识的了解和学习当中！无论是C语言或者C++亦或是Java都拥有文件操作，但是它们的使用还都不一样，让人挺恼火，有没有什么根本的东西来应对呢？当然有，在冯诺依曼体系结构那篇博客中我们知道，用户级接口是在系统调用接口基础上实现的，那么是不是就意味着我们把文件操作的系统调用接口熟悉了，那一切妖魔鬼怪也就都消散了，没错！所以让我们一探究竟吧！

本章重点：

本篇文章着重讲解I/O的四个系统调用接口 ，以及文件描述符fd的认识与fd的本质，在此之前，会先复习一下C语言的文件相关的库函数

📚一、C语言的文件接口

我们将C语言的文件操作接口在这里进行大总结：

  • C打开文件: fopen
  • C的读取: fread, fscanf, fgets
  • C的写入: fwrite, fprintf, fputs
  • C关闭文件: fclose

整理成表格如下：

函数 主要功能 参数说明 返回值 头文件
fopen 打开文件 filename:文件名, mode:模式 成功:FILE*, 失败:NULL stdio.h
fclose 关闭文件 stream:文件指针 成功:0, 失败:EOF stdio.h
fgetc 读取字符 stream:文件指针 成功:字符, 失败/EOF:EOF stdio.h
fputc 写入字符 character:字符, stream:文件指针 成功:字符, 失败:EOF stdio.h
fgets 读取字符串 str:缓冲区, n:最大长度, stream:文件指针 成功:str, 失败/EOF:NULL stdio.h
fputs 写入字符串 str:字符串, stream:文件指针 成功:非负值, 失败:EOF stdio.h
fprintf 格式化写入 stream:文件指针, format:格式串, ...:参数 成功:写入字符数, 失败:负值 stdio.h
fscanf 格式化读取 stream:文件指针, format:格式串, ...:参数 成功:匹配项数, 失败/EOF:EOF stdio.h
fread 二进制读取 ptr:缓冲区, size:项大小, count:项数, stream:文件指针 成功读取的项数 stdio.h
fwrite 二进制写入 ptr:数据区, size:项大小, count:项数, stream:文件指针 成功写入的项数 stdio.h
fflush 刷新缓冲区 stream:文件指针 成功:0, 失败:EOF stdio.h

📚二、文件相关共识问题

经过之前知识的学习，我们先要有以下共识：

  • 空文件，也要在磁盘中占据空间
  • 文件 = 内容 + 属性
  • 文件操作 = 对内容 + 对属性 or 对内容和属性
  • 标定一个文件，必须使用：文件路径+文件名（唯一性）
  • 如果没有指明对应的文件路径，默认是在当前路径进行文件访问
  • 当我们把fopen、fclose、fread、fwrite等接口写完之后，代码编译之后，形成了二进制可执行程序之后，但是没运行，文件对应操作是没有被执行的，因此对文件的操作本质是进程对文件的操作
  • 一个文件如果没有被打开，不可以直接进行文件访问，即一个文件要被访问，就必须先被打开

所以，文件操作的本质：进程和被打开文件的关系

什么叫做当前路径：

我们在命令行解释器中：这一串路径我们很清楚它就是当前路径，但是我们仅仅知道它就是路径，我们并不知道它真正的是什么，请看下图：

可以看到实际上当前路径就是该进程文件下cwd文件，它指明了当前进程执行的是磁盘路径下的哪一个程序！因此对于上篇博客我们实现的cd命令，在父进程不执行的情况下，cd命令是无效的，这正是因为，我们修改的是子进程文件下的cwd路径，父进程文件下的并没有修改，因此我们pwd查看时依然查看的是父进程的路径！

没有被打开的文件怎么办？

我们得到文件操作本质是：进程和被打开文件的关系，没有被打开的文件属于文件系统，我们将在接下来的博客中进行介绍！

文件操作：

C语言有文件操作接口，C++有文件操作接口，Java有，Python，php，go，shell都有，而且它们的操作接口都不一样！但是就如我们在前言当中所说的那样，我们怎么以不变应万变？

cpp 复制代码 
文件在哪里  
--->  磁盘  
--->  磁盘属于硬件   
--->  所有人想访问磁盘(硬件)不能绕过OS  
--->  使用OS提供文件级别的系统调用接口
--->  语言级别在系统调用接口基础上封装供人们使用

所以我们清楚了，学习了OS提供的文件级别的系统调用接口，语言级别的就是小儿科，你不就是在我的基础上做的封装嘛！

📚三、操作文件的系统调用接口

一共四个函数:

  1. open: 打开文件
  2. close: 关闭文件
  3. write: 向文件写入
  4. read: 从文件中读取

我们一个一个来进行介绍：

📖3.1 open

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

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

这个flag比较特殊,虽然它是整型，但是内部却当作了位图在使用，即传递过来的选项，会被当作位图中的不同位，通过判断某位是否为1来查看是否有这个选项，怎么理解这个宏，请看下面这个巧妙的代码：

cpp 复制代码 
#define ONE (1<<0)
#define TWO (1<<1)
#define THREE (1<<2)
#define FOUR (1<<3)
void show(int flags)
{
    if(flags & ONE) printf("ONE\n");
    if(flags & TWO) printf("TWO\n");
    if(flags & THREE) printf("THREE\n");
    if(flags & FOUR) printf("FOUR\n");
}
int main()
{
    show(ONE);
    show(TWO);
    show(ONE | TWO);
    show(ONE | TWO | THREE);
    show(ONE | TWO | THREE | FOUR);
}

通过位的操作实现了不同选项执行不同功能的一段代码！那么你对open里面的那个宏选项相信你会更加理解，事实就是通过这样的一种方式实现的！

cpp 复制代码 
flags：打开方式标志（必须包含以下之一）：
    O_RDONLY：只读
    O_WRONLY：只写
    O_RDWR：读写
可选标志（通过按位或|组合）：
    O_CREAT：文件不存在则创建
    O_TRUNC：先清零再进行写入
    O_APPEND：追加模式
mode：创建文件时的权限（八进制数，如0644）


返回值：
    成功：返回文件描述符（非负整数）
    失败：返回-1，设置errno

代码示例：

cpp 复制代码 
// 只读打开现有文件
int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
// 创建新文件（读写权限），权限为rw-r--r--
fd = open("new.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
// 以追加模式打开文件
fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_APPEND | O_CREAT, 0644);

📖3.2 close

cpp 复制代码 
#include <unistd.h>
int close(int fd);

参数：

  • fd：要关闭的文件描述符

返回值：

  • 成功：返回0

  • 失败：返回-1，设置errno

代码示例：

cpp 复制代码 
int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
if (fd >= 0) {
    // 使用文件...
    close(fd);  // 关闭文件
}

📖3.3 write

cpp 复制代码 
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数：

  • fd：文件描述符

  • buf：要写入的数据缓冲区

  • count：要写入的字节数

返回值：

  • 成功：返回实际写入的字节数

  • 失败：返回-1，设置errn

代码示例：

cpp 复制代码 
int fd = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
const char *text = "Hello, World!\n";
ssize_t bytes_written = write(fd, text, strlen(text));
if (bytes_written == -1) {
    perror("写入失败");
}
close(fd);

📖3.4 read

cpp 复制代码 
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数：

  • fd：文件描述符

  • buf：存放读取数据的缓冲区

  • count：要读取的字节数

返回值：

  • 成功：返回实际读取的字节数

  • 到达文件尾：返回0

  • 失败：返回-1，设置errno

cpp 复制代码 
int fd = open("data.txt", O_RDONLY);
char buffer[1024];
ssize_t bytes_read;
while ((bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer))) > 0) {
    // 处理读取的数据
    write(STDOUT_FILENO, buffer, bytes_read);
}
if (bytes_read == -1) {
    perror("读取失败");
}

📚四、文件描述符

上面我们fd，fd的使用的快起兴，但是它是什么呢？让我们来认识一下：

首先先看下述推导链：

cpp 复制代码 
进程可以打开多个文件吗？当然可以
--->  系统中一定会存在大量的被打开的文件
--->  被打开的文件，要不要被OS管理起来呢？
--->  如何管理？-先描还，在组织
--->  操作系统为了管理对应的打开文件，必定要为文件创建对应的内核数据结构表示文件
--->  struct_file与C语言当中的FILE没有关系
--->  包含了文件的大部分属性

上述内容想说明的就是OS为每个文件都抽象出了一个struct_file结构体来描述文件（被打开的），管理这些被打开的文件也就变成了对这些结构体的管理！

我们看下述代码的现象：

cpp 复制代码 
int fd1 = open("/mnt/workspace/test/test5/text1.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
int fd2 = open("/mnt/workspace/test/test5/text2.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
int fd3 = open("/mnt/workspace/test/test5/text3.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
int fd4 = open("/mnt/workspace/test/test5/text4.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
printf("%d, %d, %d, %d\n",fd1,fd2,fd3,fd4);

带来下述问题：

  • 0、1、2哪去了？
  • 为什么是3、4、5、6连续的数字？

📖4.1 文件描述符的本质

通过上面的推导与演示，我们来认识文件描述符的本质，请看下图：

为了证明stdin、stdout、stderr占用了012三个文件描述符，请看下述代码：

cpp 复制代码 
printf("stdin->%d\n", fileno(stdin));
printf("stdout->%d\n", fileno(stdout));
printf("stderr->%d\n", fileno(stderr));
int fd1 = open("/mnt/workspace/test/test5/text1.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
int fd2 = open("/mnt/workspace/test/test5/text2.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
int fd3 = open("/mnt/workspace/test/test5/text3.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
int fd4 = open("/mnt/workspace/test/test5/text4.txt",O_WRONLY | O_CREAT);
printf("%d, %d, %d, %d\n",fd1,fd2,fd3,fd4);

那按照这个意思，我们关闭其中一个再建立一个新文件就能用012了？对的，请看下述代码：

cpp 复制代码 
printf("stdin->%d\n", fileno(stdin));
close(0);
printf("stdout->%d\n", fileno(stdout));
printf("stderr->%d\n", fileno(stderr));
int fd1 = open("/mnt/workspace/test/test5/text1.txt", O_WRONLY | O_CREAT);
int fd2 = open("/mnt/workspace/test/test5/text2.txt", O_WRONLY | O_CREAT);
int fd3 = open("/mnt/workspace/test/test5/text3.txt", O_WRONLY | O_CREAT);
int fd4 = open("/mnt/workspace/test/test5/text4.txt", O_WRONLY | O_CREAT);
printf("%d, %d, %d, %d\n", fd1, fd2, fd3, fd4);

所以通过上述的演示，我们能得到一下结论：

  • 文件描述符就是files_struct结构体里的一个指针数组的下标，这个数组中的指针指向struct_file，而files_struct是被PCB所维护的
  • 文件描述符的分配就是按照从小到大，按照顺序寻找最小的且没有被占用的fd

📚五、总结

本篇博客我们介绍学习了系统调用接口、以及文件描述符相关知识，并对C语言的文件操作接口进行了回顾。

小结一下：

系统调用接口：

open：

  • 参数："文件名", 执行选项（O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR、O_CREAT、O_TRUNC、O_APPEND）, 权限
  • 返回值：成功：文件描述符，失败：-1

close：

  • 参数：文件描述符
  • 返回值：成功：0，失败：-1

write：

  • 参数：write(要写入文件的文件描述符, 写入的内容（void *buf）, 要写入的字节数)
  • 返回值：成功：实际写入的字节数，失败：-1

read：

  • 参数：read(要读取文件的文件描述符, 存放读取数据的缓冲区（void *buf）, 要读取的字节数)
  • 返回值：成功：实际读取的字节数。读到结尾返回0。失败：-1

文件描述符：

是什么：就是files_struct中fd_array指针数组的下标，整体的关系：PCB通过指向files_struct，files_struct结构体通过fd_array指针数组指向对应的struct_file即文件！

文件描述符的分配规则：按照从小到大，按照顺序寻找最小的且没有被占用的fd。系统运行时天然打开了stdin、stdout、stderr文件，因此文件描述符我们自己操作时会从3开始

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