Linux文件IO
UNIX系统中的大多数文件I/O只需用到五个函数：open、read、write、lseek 以及 close。这些函数通常被称为不带缓冲的I/O，它们直接通过系统调用与内核交互，是文件操作最底层的接口。
文件描述符
文件描述符是一个非负整数，它代表进程与已打开文件之间的连接。每个进程启动时，系统会自动分配三个标准描述符：
- 0 ------ 标准输入
- 1 ------ 标准输出
- 2 ------ 标准错误
当进程调用 open 或 creat 打开新文件时，内核会返回当前未被使用的最小描述符编号。每个进程能够打开的文件描述符数量有限，可通过 ulimit -n 查看，并可以通过 setrlimit 调整上限。
在内核中，文件描述符是进程文件描述符表（files_struct）的索引，该表项指向内核中的文件对象（struct file）。文件对象中保存了当前文件偏移量、文件状态标志（如只读/只写）、指向inode的指针以及一组文件操作函数。多个描述符可以指向同一个文件对象（例如通过 dup 复制），此时它们共享相同的文件偏移量。
open 与 openat
open 函数
c
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);flags 参数必须包含以下三种之一：O_RDONLY、O_WRONLY 或 O_RDWR。其他常用标志包括：
O_CREAT------ 文件不存在则创建O_EXCL------ 与O_CREAT配合，若文件已存在则报错O_TRUNC------ 打开时清空文件内容O_APPEND------ 每次写入追加到文件末尾O_NONBLOCK------ 非阻塞模式
mode 参数仅在创建文件时生效，用于指定文件权限（如 0644），实际权限会受到进程 umask 的影响（最终权限 = mode & ~umask）。
openat 函数
c
int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags, mode_t mode);openat 与 open 的区别在于多了一个 dirfd 参数。当 pathname 为相对路径时，系统会根据 dirfd 指向的目录来解析路径；若 pathname 为绝对路径，则 dirfd 被忽略。如果希望使用当前工作目录，可以将 dirfd 设为 AT_FDCWD。
openat 主要带来两个好处：
- 线程安全 ：在多线程程序中，若一个线程调用
chdir改变工作目录，其他线程的open可能受到影响。openat通过目录描述符固定父目录，避免这种竞态。 - 避免 TOCTTOU 攻击 ：在检查文件属性后再打开文件时，路径可能被恶意篡改（如符号链接攻击）。
openat基于已打开的目录句柄操作，降低了此类风险。
creat
c
#include <fcntl.h>
int creat(const char *pathname, mode_t mode);creat 等价于 open(pathname, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode)。它只能以只写方式创建文件，并且如果文件已存在，会将其内容截断为空。
由于 open 可以组合更多标志（如同时指定读权限、使用 O_EXCL 等），creat 在现代编程中已较少使用，但出于历史兼容性，POSIX 仍然保留该函数。
read
c
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);read 从当前文件偏移量开始读取数据，读取后偏移量向后移动实际读到的字节数。返回值表示实际读取的字节数：
- 返回
0表示到达文件末尾（EOF） - 返回正数表示读取的字节数，可能小于
count（例如剩余数据不足） - 返回
-1表示出错，可通过errno获取具体错误
注意事项：
- 如果调用被信号中断，
read可能返回部分已读数据，此时errno为EINTR，需要自行处理重试。 - 不能假设一次
read能读满count个字节，应当循环读取直到读完所需数据或遇到 EOF/错误。
性能建议 ：单次 read 的 count 值不宜过小（否则系统调用频繁），也不宜过大（浪费内存）。通常选择 4KB 或 8KB，与文件系统块大小对齐效果更佳。
write
c
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);write 从当前文件偏移量开始写入数据，写入后偏移量相应增加。返回值表示实际写入的字节数，正常情况下等于 count，但可能因为磁盘空间不足、信号中断等原因导致部分写入。
重要特性：
- 对于普通文件，若写入的字节数小于
PIPE_BUF，write是原子操作，不会与其他进程或线程的写入交错。 - 数据通常先被拷贝到内核的页缓存（page cache）中，随后由内核异步刷入磁盘，因此
write返回并不代表数据已安全落盘。
处理部分写入：虽然普通文件很少出现部分写入，但在套接字或管道上可能发生。可靠的代码应使用循环写入：
c
size_t total = 0;
while (total < count) {
ssize_t ret = write(fd, buf + total, count - total);
if (ret == -1) {
if (errno == EINTR) continue;
else break; // 真正的错误
}
total += ret;
}lseek
c
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);lseek 用于显式移动文件偏移量，它本身不产生任何 I/O 操作。whence 参数指定偏移的基准位置：
SEEK_SET------ 从文件开头偏移offset字节SEEK_CUR------ 从当前偏移量增加offset（可正可负）SEEK_END------ 从文件末尾偏移offset（通常为正数表示向后扩展）
常见用法：
- 获取当前偏移量：
off_t cur = lseek(fd, 0, SEEK_CUR); - 获取文件大小：
off_t size = lseek(fd, 0, SEEK_END);（更推荐使用fstat） - 创建空洞文件：将偏移量移到超出文件末尾的位置，然后写入少量数据，文件会变大但实际占用的磁盘块可能很少（稀疏文件）。
需要注意的是，管道、套接字等特殊文件不支持随机访问，调用 lseek 会返回 -1 并设置 errno 为 ESPIPE。
缓存机制
页缓存
Linux 内核通过页缓存（Page Cache）来提升文件 I/O 性能。当进程调用 read 时，内核会先检查所需数据是否已在缓存中，若在则直接拷贝到用户空间，否则从磁盘读取并缓存。write 操作先将数据写入页缓存，并标记该页为"脏页"，之后由内核线程（如 flush）异步将脏页写回磁盘。
这种机制大幅减少了磁盘访问次数，但也带来了数据丢失的风险------如果系统崩溃，尚未刷盘的缓存数据会永久丢失。
同步缓存的方法
fsync(int fd)------ 同步文件数据和元数据（如修改时间、文件大小）到磁盘，阻塞直到完成。fdatasync(int fd)------ 仅同步数据，不同步元数据（除非元数据影响后续数据的读取），性能略优于fsync。sync(void)------ 将所有脏缓存同步到磁盘，属于全局操作，不针对特定文件。
打开标志对缓存的影响
O_SYNC------ 每次write都会阻塞直到数据真正写入磁盘（相当于自动调用fsync），性能较差，但保证了持久性。O_DSYNC------ 类似O_SYNC，但只同步数据（类似fdatasync）。O_DIRECT------ 绕过页缓存，直接进行磁盘 I/O（要求数据对齐），常用于数据库等自行管理缓存的应用，但使用门槛较高。
用户态缓冲 vs 内核缓冲
需要区分两类缓冲：
- 不带缓冲的 I/O（如本文所述）------ 系统调用直接操作内核页缓存，用户态没有额外缓冲。
- 标准 I/O 库 （如
fopen、fread）------ 在用户态维护缓冲区，攒够一定数据后再调用write，从而减少系统调用次数，提高效率。
因此，write 并不意味着"立即写磁盘"，而是"写入内核缓存"；而 fwrite 则是"写入用户缓存" → 再通过 write 送入内核缓存 → 最后异步刷盘。