【Linux系统】文件IO：理解文件描述符、重定向、缓冲区

落羽的落羽2026-02-04 8:28


各位读者大佬好，我是落羽！一个坚持不断学习进步的学生。
如果您觉得我的文章还不错，欢迎多多三连分享交流，一起学习进步！
欢迎关注我的blog主页: 落羽的落羽

文章目录

一、C语言中的文件IO操作

在学习C语言时，我们了解过一些关于文件打开关闭读写的C库函数 ：fopen fwrite fputs fread fclose fseek rewind ftell等等。详见：【C语言篇】文件操作

其中，值得关注的是fopen函数

它的第一个参数是文件名，第二个参数是文件的打开模式，有以下模式及其作用：

文件打开模式 含义 如果指定文件不存在
r（只读） 为了输入数据，打开一个文本文件 返回空指针
w（只写） 为了输出数据，打开一个文本文件 创建一个新的文件（如果文件存在，会清空原内容）
a（追加） 向文本文件尾添加数据 创建一个新的文件
rb（只读） 为了输入数据，打开一个二进制文件 返回空指针
wb（只写） 为了输出数据，打开一个二进制文件 创建一个新的文件
ab（追加） 向二进制文件尾添加数据 创建一个新的文件
r+（读写） 为了读写数据，打开一个文本文件 返回空指针
w+（读写） 为了读写数据，打开一个文本文件 创建一个新的文件
a+（读写） 在文本文件尾读写数据 创建一个新的文件
rb+（读写） 为了读写数据，打开一个二进制文件 返回空指针
wb+（读写） 为了读写数据，创建一个二进制文件 创建一个新的文件
ab+（读写） 在二进制文件尾读写数据 创建一个新的文件

最常用的就是r(只读) w(只写) a(追加)，其中w模式会在打开文件时清空原内容。

我们知道，大多数文件是放在磁盘上的，根据冯诺依曼体系规则，必须先把文件从磁盘加载到内存才能被CPU访问，这个过程需要硬件层面的 I/O 操作支持，硬件操作一定不是靠C语言完成的，操作系统一定会提供相关的系统调用！

二、Linux中的文件IO系统调用

C语言中，一套正确的文件IO流程是：打开文件、读/写内容、关闭文件。

实际上，在其他语言或操作系统中，基本都是这样的流程，先打开文件，再读写，再关闭！

1. open、write、close

open：

系统调用open，用来打开一个文件：

  • 第一个参数pathname是目标文件
  • 第三个参数mode可以不带，用于控制文件权限，传递一个权限八进制数，如传递0666，实际文件权限值是0666-权限掩码
  • 第二个参数是打开文件的选项，选项是宏定义常量，同时有多个选项，选项之间以|（或）连接 ，常见的有：
    • 以下三个选项必须有且仅有指定一个：
      • O_RDONLY（只读打开）
      • O_WRONLY（只写打开）
      • O_RDWR（读写打开）
    • 以下选项可以同时指定：
      • O_CREAT（若指定文件不存在则创建它，使用该选项时必须带mode参数，否则新文件初始权限是乱的）
      • O_APPEND（追加写打开）
      • O_TRUNC（打开文件时清空原内容）

open是返回值是一个int，它代表着目标文件的文件描述符fd ！这个概念一会再细说，目前可以理解为标识一个文件的数字，文件描述符是一个非负整数！ 如果open返回值小于0，说明打开文件失败。

write ：

系统调用write的作用是向某个文件中写内容：

  • 第一个参数是目标文件的文件描述符，第二个参数是待写入的数据，第三个参数是你想要写入的字节数。
  • 返回值是：
    • 写入成功时，返回实际写入的字节数（可能小于 count，比如磁盘空间不足时）。
    • 失败时，返回 -1，并设置全局变量 errno 来指示错误原因。

close：

系统调用close用于关闭一个文件：

参数是目标文件的文件描述符，很简单。

我们演示一下使用这些系统调用完成文件读写：

c 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()
{
    umask(0000); // 设置权限掩码
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644); // 只读打开，若文件不存在则创建
    if(fd < 0)
    {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    const char*  msg = "hello!\n";
    write(fd, msg, strlen(msg));

    close(fd);

    return 0;
}

系统调用还有read、lseek等等。此时我们可以初步得出结论：C库函数fopen、fwrite、fread、fclose、fseek等，本质都是封装了相应的系统调用open、write、read、close、lseek等！

三、文件描述符fd

1. 文件描述符的本质

文件描述符，是一个非负整数。
Linux进程默认情况下会有三个自动打开的文件描述符，分别是：stdin标准输入0、stdout标准输出1、stderr标准错误2，对应的物理设备是：键盘、显示器、显示器。Linux中一切皆文件，从键盘打字就是从键盘文件中读取数据、显示器显示就是将数据写到显示器文件中！

所以，我们想从键盘读取数据，在屏幕上打印出来，也可以这样实现：

c 复制代码 
char buf[16];
ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf)); // 从0号文件（标准输入，也就是键盘）中读取
if(s > 0)
{
	buf[s] = '\0';
	write(1, buf, strlen(buf)); // 写入1号文件（标准输出1，也就是显示器）
}

一个进程可以打开多个文件，每个文件的状态可能都不一样，所以进程一定需要管理文件！当我们打开文件时，操作系统要在内存中创建相应的数据结构来描述组织文件，于是就可以看到在task_struct中的struct files_struct* files结构！


可以看到，struct files_struct包含着一个数组fd_array。数组元素是struct file*类型，这个结构体类型，就对应着每一个具体的文件，里面包含着文件各种详细属性！

结论：本质上，文件描述符 fd 就是这个数组 fd_array 的下标，每个文件的 fd 就是它在这个数组中的下标！

2. 文件描述符的分配规则

我们来看几段代码和现象：

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

int main()
{
    int fd = open("myfile.txt", O_WRONLY | O_CREAT);
    if(fd < 0)
    {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    printf("fd: %d\n", fd);
    close(fd);

    return 0;
}
  • 现象1：直接打开一个新的文件，fd是3。
c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    close(0);

    int fd = open("myfile.txt", O_WRONLY | O_CREAT);
    if(fd < 0)
    {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    printf("fd: %d\n", fd);
    close(fd);

    return 0;
}
  • 现象2：先关闭标准输入0，再打开一个新文件，它的fd是0。
c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    close(0);

    int fd = open("myfile.txt", O_WRONLY | O_CREAT);
    if(fd < 0)
    {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    printf("fd: %d\n", fd);
    close(fd);

    return 0;
}
  • 现象3：先关闭标准错误2，再打开一个新文件，它的fd是2。

这三个现象可以得出结论了：文件描述符的分配规则是，在files_struct的fd_array数组中，找到一个当前没有被使用的最小的下标，作为新打开文件的文件描述符！当文件被关闭时，它的文件描述符就"空"出来了。

3. 重定向

在上面的现象中，如果先关闭标准输出1呢？

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

int main()
{
    close(1);

    int fd = open("myfile.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if(fd < 0)
    {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    printf("fd: %d\n", fd);

    return 0;
}

我们发现，printf函数并没有打印到显示器上，而是写入到了 myfile.txt 文件中。

原因：

文件描述符1被关闭了，而1正是标准输出stdout的默认文件描述符。

再新打开一个文件myfile.txt，根据刚才说的文件描述符分配规则，它的 fd 就成了1。
printf 库函数，内部本来封装了write(1, ...);这样的系统调用，所以正常情况下就是向标准输出1显示器写入，可是现在1变成myfile.txt，但printf不知道，它只认文件描述符1，于是执行后内容被写进了myfile.txt！

这种现象叫做输出重定向！命令行中< > >>也是重定向！

在 Linux 系统中，重定向的本质是修改文件描述符 fd 与文件的关系，用一个文件描述符的内容指向另一个文件描述符的内容 。例如，文件描述符 x 原本指向文件A的 struct file，文件描述符 y 原本指向文件B的 struct file。若通过某些系统调用让 x 也指向文件B的 struct file，则后续所有通过 x 的文件操作，都会作用于文件B而非文件A。

实现这个过程的系统调用是dup2：

调用后，第二个参数 fd 的指针会指向第一个参数的 fd 指向的文件，也就是第一个 fd 覆盖了第二个 fd。

c 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()
{
    int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);
    
    dup2(fd, 1); // fd覆盖了1, 1也指向fd指向的文件

    const char* s = "hello!\n";
    write(1, s, strlen(s)); // 本来想写入1，但实际上写入了fd

    close(fd);

    return 0;
}

四、缓冲区与刷新操作

1. 为什么要有缓冲区

缓冲区是内存空间中的一部分，这些存储空间用来缓冲输入或输出的数据，这部分预留的空间叫做缓冲区。

读写文件时，如果不会开辟文件操作的缓冲区，直接通过系统调用对磁盘进行IO操作，那么每一次执行系统调用都涉及到CPU状态的切换，这将付出一定的效率成本，所以频繁的磁盘访问会对程序的执行效率造成很大影响！
我们可以采用缓冲机制，比如从磁盘中读文件时，可以一次性从文件中读取大量的数据到缓冲区中，然后这部分的访问就不用再调用系统调用了，以减少磁盘的读写次数，再加上计算机对缓冲区的操作大大快于对磁盘的操作速度，所以缓冲区可以提高计算机的运行速度。

2. 语言级缓冲区与内核级缓冲区

缓冲区其实分为：语言级缓冲区、内核级缓冲区。

语言级缓冲区是由语言维护的，属于用户层。

内核级缓冲区是系统维护的，用户不必关心。

举例，你执行fprintf(fp, "hello");：

  • 数据先被写入C库维护的语言级缓冲区（用户态），此时既没有触发系统调用，也没有写内核；
  • 刷新时，C库调用 write() 系统调用，把数据从语言级缓冲区拷贝到内核级缓冲区（内核态），此时仍未写硬盘；
  • 内核会异步地把内核级缓冲区的数据写到磁盘；
  • 如果你想强制写到磁盘，需要调用 fsync(fd) 系统调用，把内核级缓冲区的数据强制刷到物理磁盘中。

刷新（Flush）就是把缓冲区里暂存的数据，强制写入到目标文件中，并清空缓冲区。
本质上，语言级缓冲区刷新就是语言级缓冲区用write()系统调用将数据拷贝到内核文件缓冲区。

理论上，数据从C语言缓冲区刷新到内核文件缓冲区后，后面全由OS控制了，用户已经可以认为数据写入了磁盘中，但实际上还要等到内核缓冲区的刷新才是真正的完成。

你也可以使用系统调用fsync来强制让内核缓冲区刷新到磁盘文件中：

C语言缓冲区是由FILE结构体维护的！这个结构体封装了文件描述符、缓冲区等信息.在/usr/include/stdio.h中可以看到：

/usr/include/libio.h中：

3. 刷新方式

语言级缓冲区有几种刷新方式：

  • 进程结束时，会自动刷新，除非是系统调用_exit()结束的进程。
  • 当目标文件是显示器时，缓冲类型是"行缓冲"，遇到 \n 换行符时自动刷新。
  • 当目标文件是普通文件时，缓冲类型是"全缓冲"，缓冲区写满了才会刷新。
  • 通过fflush(FILE*)函数强制刷新指定的语言级文件缓冲区。

举个例子：

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

int main()
{
    close(1);
    int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);
    printf("hello!\n");

    close(fd);
        
    return 0;
}

先关闭了1，然后打开log.txt文件，执行printf函数，然后close(fd)。按照刚才的逻辑，hello!语句应该会写入log.txt文件中，可是执行程序后却发现log.txt没有内容！

原本，目标文件是stdout显示器时，语言级缓冲区会执行行缓冲，执行printf时遇到 \n 就会立刻刷新一次。
可是，现在重定向到了log.txt文件，这是一个普通文件，执行的是全缓冲！只有当缓冲区满或进程结束才会刷新。但是显然此时缓冲区没满，没有刷新。进程结束前，代码close(fd)使log.txt文件关闭了！"hello!\n"只存在于C语言的缓冲区中，既没有被刷新到内核级缓冲区，也没有写入log.txt，最终随着程序退出，缓冲区被释放，数据丢失。

另一个例子：

c 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()
{
    close(1);
    int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);

    printf("hello, printf!\n");
    const char* s = "hello, write!\n";
	write(fd, s, strlen(s));

    fork();        
    return 0;
}

向log.txt中分别用库函数printf和系统调用write写入，然后创建一个子进程，结果是：

原因：

  • write是系统调用，直接操作内核级缓冲区，调用write时，数据直接传递到内核态缓冲区（后续由内核刷新到log.txt），子进程不会影响。
  • printf是C库函数，数据存在C语言缓冲区中，目标文件是普通文件，缓冲区没满，只有进程结束后才刷新。而fork()会完整拷贝父进程的内存空间，包括C库的缓冲区，导致父子进程的C语言缓冲区里各有一份 "hello, printf!\n"。父子进程退出时，都会刷新自己的缓冲区，也就输出了两次！

本篇完，感谢阅读！

相关推荐
lly2024062 小时前
HTML DOM 访问
开发语言
sin_hielo2 小时前
leetcode 3637
数据结构·算法·leetcode
仍然.2 小时前
算法题目---双指针算法
数据结构·算法·排序算法
xie_pin_an2 小时前
Linux 基础入门：从历史到核心指令全解析
linux·运维·服务器
遇见火星2 小时前
服务器HBA卡与RAID卡：到底有什么区别？
运维·服务器·hba卡·raid卡
翼龙云_cloud2 小时前
亚马逊云渠道商：AWS RDS备份恢复实战
服务器·云计算·aws
爱吃泡芙的小白白2 小时前
深入权重之核：机器学习权重参数最新技术与实践全解析
人工智能·学习·机器学习
源代码杀手2 小时前
大型语言模型的主体推理（一项综述）：2026 最新！Agentic Reasoning 终极指南——最全 LLM 智能体推理论文合集 + 核心架构解析
人工智能·语言模型·自然语言处理
ajole2 小时前
Linux学习笔记——基本指令
linux·服务器·笔记·学习·centos·bash
热门推荐
01GitHub 镜像站点02OpenCode 入门教程：介绍 · 安装 · 配置第三方 API (如 Claude)032025 年大语言模型发展回顾：关键突破、意外转折与 2026 年展望04Claude Code Skills 实用使用手册05Clawdbot 中文汉化版 接入微信、飞书06Claude Code + GLM4.7 避坑指南：解决 Unable to connect to Anthropic services07在Trae中使用Pencil MCP08OpenClaw部署与配置教程：在Mac mini上接入国产大模型与飞书09UV安装并设置国内源10Vue-skills的中文文档