Linux 文件IO 目录IO

一、文件 IO（系统调用级 IO）

文件 IO 是 Linux 内核提供的系统调用接口 ，无用户层缓存，直接操作内核态文件描述符，相比标准 IO 更贴近底层，适合操作设备文件、管道、套接字等特殊文件，也可操作普通文件。

1. 文件 IO 与标准 IO 的核心区别

这是开发中选择接口的关键，两者对比如下：

表格

特性	标准 IO	文件 IO
接口类型	库函数（封装系统调用）	系统调用（内核接口）
缓存机制	有用户层缓存（全 / 行）	无用户层缓存
操作句柄	文件流指针FILE *	文件描述符int fd（非负整数）
适用文件	普通文件（ASCII / 二进制）	普通文件、设备文件、管道、套接字等
效率	普通文件读写效率高	特殊文件操作更高效

2. 核心系统调用接口

文件 IO 的核心接口为open/close/read/write/lseek，所有接口需包含头文件<unistd.h>、<fcntl.h>，文件描述符是其核心操作句柄（内核分配的非负整数，默认最小未使用）。

（1）open - 打开 / 创建文件，获取文件描述符

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

• 功能 ：打开指定路径文件，若文件不存在且指定O_CREAT则创建，返回唯一的文件描述符；
• 参数 ：
  • pathname：文件路径（绝对 / 相对）；
  • 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)、O_TRUNC(清空)、O_APPEND(追加)；
  • mode：创建文件时的权限（如0664、0777），仅flags含O_CREAT时有效，最终权限受umask掩码影响；
• 返回值 ：成功返回文件描述符（≥0）；失败返回-1，设置错误码。

常用模式组合：

O_RDONLY;                  // 只读打开
O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC; // 只写，不存在创建，存在清空
O_RDWR | O_CREAT | O_APPEND;  // 读写，不存在创建，存在追加

（2）close - 关闭文件描述符，释放资源

int close(int fd);

• 功能：关闭已打开的文件描述符，释放内核资源，避免资源泄漏；
• 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。

（3）read - 从文件描述符读取数据

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

• 功能 ：从fd指向的文件中读取count字节数据，存入buf缓冲区；
• 参数 ：fd：文件描述符；buf：数据缓冲区；count：期望读取的字节数；
• 返回值 ：成功返回实际读取的字节数 ；读到文件末尾返回0；失败返回-1。

（4）write - 向文件描述符写入数据

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

• 功能 ：将buf中count字节数据写入fd指向的文件；
• 参数 ：与read一致；
• 返回值 ：成功返回实际写入的字节数 ；失败返回-1。

（5）lseek - 重定位文件描述符的偏移量

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

• 功能 ：类似标准 IO 的fseek，设置文件读写的偏移量，实现随机读写；
• 参数 ：
  • offset：偏移量（可正可负，正数向文件末尾，负数向文件开头）；
  • whence：偏移基准，SEEK_SET(文件开头)、SEEK_CUR(当前位置)、SEEK_END(文件末尾)；
• 返回值 ：成功返回新的偏移量 ；失败返回-1。

3. 系统默认文件描述符

Linux 启动进程时，会默认打开 3 个文件描述符，供进程与终端交互：

• 0：标准输入stdin → 对应终端输入；
• 1：标准输出stdout → 对应终端输出；
• 2：标准错误stderr → 对应终端错误输出。

4. 文件 IO 实用示例

示例 1：read+write 实现文件拷贝（支持任意文件，如图片 / 视频）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>

#define BUF_SIZE 4096 // 缓冲区大小，与页大小一致，提升效率

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 3) {
        printf("Usage: %s src_file dest_file\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    // 打开源文件（只读）、目标文件（只写，不存在创建，存在清空）
    int fd_src = open(argv[1], O_RDONLY);
    int fd_dst = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0664);
    if (fd_src == -1 || fd_dst == -1) {
        perror("open fail");
        exit(1);
    }
    // 读写拷贝
    char buf[BUF_SIZE] = {0};
    ssize_t n = 0;
    while ((n = read(fd_src, buf, BUF_SIZE)) > 0) {
        write(fd_dst, buf, n); // 按实际读取的字节数写入
    }
    // 关闭文件描述符
    close(fd_src);
    close(fd_dst);
    return 0;
}

示例 2：lseek 计算文件大小

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        printf("Usage: %s filename\n", argv[0]);
        return 1;
    }
    int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open fail");
        return 1;
    }
    // 偏移到文件末尾，返回值即为文件总字节数
    off_t file_size = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    printf("File size: %ld bytes\n", file_size);
    close(fd);
    return 0;
}

二、目录 IO（专门处理目录文件）

Linux 中目录是特殊的文件 ，普通的文件 IO 无法直接遍历、读取目录内容，需使用专门的目录 IO 接口 （头文件<dirent.h>、<sys/stat.h>），核心实现目录的打开、关闭、遍历、创建、删除等操作。

1. 核心目录 IO 接口

目录 IO 的操作句柄是目录流指针DIR * ，核心接口分为目录操作 （opendir/closedir/readdir）和目录管理 （mkdir/rmdir/chdir/getcwd）两类。

（1）目录操作核心接口

opendir - 打开目录，获取目录流指针

DIR *opendir(const char *name);

• 功能：打开指定路径的目录文件，返回目录流指针；
• 参数 ：name：目录路径（绝对 / 相对）；
• 返回值 ：成功返回DIR *；失败返回NULL。

closedir - 关闭目录流指针

int closedir(DIR *dirp);

• 功能：关闭目录流指针，释放内核资源；
• 参数 ：dirp：已打开的目录流指针；
• 返回值 ：成功返回0；失败返回-1。

readdir - 读取目录项信息

struct dirent *readdir(DIR *dirp);

• 功能 ：逐行读取目录流中的目录项 （目录下的文件 / 子目录），每次调用返回下一个目录项，读到末尾返回NULL；
• 参数 ：dirp：目录流指针；
• 返回值 ：成功返回struct dirent *（目录项结构体）；失败 / 读到末尾返回NULL。

核心结构体struct dirent（存储目录项信息）：

struct dirent {
    ino_t          d_ino;     // 节点号
    off_t          d_off;     // 目录项偏移量
    unsigned short d_reclen;  // 结构体长度
    unsigned char  d_type;    // 文件类型（普通文件/目录/链接等）
    char           d_name[256];// 文件名/目录名（核心）
};

（2）目录管理核心接口

mkdir - 创建目录

int mkdir(const char *pathname, mode_t mode);

• 功能 ：创建指定路径的目录，权限由mode指定（如0777）；
• 参数 ：pathname：目录路径；mode：目录权限；
• 返回值 ：成功返回0；失败返回-1。

rmdir - 删除空目录

int rmdir(const char *pathname);

• 功能 ：删除指定的空目录（非空目录需先删除内部文件）；
• 返回值 ：成功返回0；失败返回-1。

chdir - 切换当前进程的工作目录

int chdir(const char *path);

• 功能 ：类似 Shell 命令cd，切换进程的当前工作目录；
• 返回值 ：成功返回0；失败返回-1。

getcwd - 获取当前工作目录的绝对路径

char *getcwd(char *buf, size_t size);

• 功能 ：将当前进程的工作目录绝对路径存入buf缓冲区；
• 参数 ：buf：存储路径的缓冲区；size：缓冲区大小；
• 返回值 ：成功返回buf首地址；失败返回NULL。

2. 目录 IO 实用示例

示例 1：遍历指定目录下的所有文件 / 子目录

#include <stdio.h>
#include <dirent.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        printf("Usage: %s dirname\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    // 打开目录
    DIR *dp = opendir(argv[1]);
    if (dp == NULL) {
        perror("opendir fail");
        exit(1);
    }
    // 遍历目录项
    struct dirent *p = NULL;
    while ((p = readdir(dp)) != NULL) {
        // 过滤.和..（当前目录和上级目录）
        if (strcmp(p->d_name, ".") == 0 || strcmp(p->d_name, "..") == 0) {
            continue;
        }
        printf("文件名：%s\n", p->d_name);
    }
    // 关闭目录流
    closedir(dp);
    return 0;
}

示例 2：获取 / 切换当前工作目录

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#define BUF_SIZE 256

int main() {
    char buf[BUF_SIZE] = {0};
    // 获取当前工作目录
    getcwd(buf, BUF_SIZE);
    printf("当前工作目录：%s\n", buf);
    // 切换工作目录到/home
    if (chdir("/home") == -1) {
        perror("chdir fail");
        exit(1);
    }
    // 再次获取
    getcwd(buf, BUF_SIZE);
    printf("切换后工作目录：%s\n", buf);
    return 0;
}