Linux 文件操作详解：结构、系统调用、权限与实践

Linux 文件操作详解：结构、系统调用、权限与实践

关键词： Linux 文件结构、文件描述符、系统调用、read/write、open/close、权限控制、实战代码

---

一、为什么说“一切皆文件”

Linux 系统将万物抽象为文件：

• 常规文件（普通文本、二进制）
• 目录（实际上是一个特殊的文件）
• 字符设备与块设备（如串口、硬盘）
• 网络连接（socket）
• 虚拟文件（如 /proc/cpuinfo）

这种设计让系统 I/O 操作接口极其统一，极大提升了系统的灵活性和可扩展性。

---

二、Linux 文件系统结构详解

目录	功能说明
/	根目录，所有文件系统的起点
/root	超级用户的主目录
/bin	二进制可执行程序，系统启动与常用命令
/boot	启动相关文件，如内核镜像
/dev	设备文件（如 /dev/sda 硬盘）
/etc	系统配置文件
/home	普通用户的主目录
/lib	系统核心共享库
/usr	用户程序资源（常被挂载为只读）
/var	日志、缓存等可变数据
/tmp	临时文件存储
/media	挂载的 U 盘、光盘等
/proc	虚拟文件系统，内核状态如进程信息

⚠️ /dev、/proc、/sys 等目录是 Linux 与硬件或内核交互的核心。

---

三、文件描述符（File Descriptor）

什么是文件描述符？

Linux 使用整数 fd（File Descriptor）标识每一个打开的文件资源：

• 0：标准输入（stdin）
• 1：标准输出（stdout）
• 2：标准错误（stderr）

每当你调用 open() 打开一个文件时，系统都会返回一个新的最小未使用的文件描述符。

多个 fd 可指向同一文件？

是的。例如：

int fd1 = open("file.txt", O_RDONLY);
int fd2 = dup(fd1);  // 复制 fd1，两个都指向同一个文件

---

四、两种文件操作方式对比

操作方式	示例函数	特点说明
底层系统调用	open, read, write, close	精准控制、效率高、无缓冲
标准 I/O 函数	fopen, fread, fprintf	使用方便、有缓冲区

系统调用更适合底层开发（如驱动、内核模块），标准 I/O 适合一般应用程序。

---

五、核心系统调用详解（附实战）

1. open 打开文件

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

常用标志位：

• O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR
• O_CREAT：文件不存在则创建（需提供权限）
• O_TRUNC：清空已有内容
• O_APPEND：追加模式
• O_EXCL：配合 O_CREAT，文件存在则报错

权限常量：

• S_IRUSR：所有者读权限
• S_IWUSR：所有者写权限
• S_IRWXU：所有者读写执行权限（如 0700）

示例：

int fd = open("data.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);

---

2. write 写入文件

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

• 成功返回写入字节数，失败返回 -1。
• 从当前文件指针开始写入。

示例：

write(fd, "Hello\n", 6);

---

3. read 读取文件

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

• 返回值：

  • 0：读取的字节数

  • =0：文件结束
  • <0：读取出错

示例：

char buf[128];
int len = read(fd, buf, sizeof(buf));

---

4. close 关闭文件

int close(int fd);

• 成功返回 0，失败返回 -1。
• 释放资源，fd 变为无效。

---

5. lseek 移动文件指针

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

• SEEK_SET：相对于文件头
• SEEK_CUR：相对于当前位置
• SEEK_END：相对于文件尾部

应用：

lseek(fd, 100, SEEK_SET); // 跳到偏移 100

---

6. ioctl 设备控制

int ioctl(int fd, int cmd, ...);

• 专用于控制设备行为
• 不同设备支持不同的 cmd
• 常用于串口、网络驱动、图形接口等底层控制

---

六、实战代码示例

文件复制程序（底层 API）

int fd_in = open("source.txt", O_RDONLY);
int fd_out = open("dest.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);
char buf[1024];
int len;while ((len = read(fd_in, buf, sizeof(buf))) > 0) {write(fd_out, buf, len);
}close(fd_in);
close(fd_out);

---

七、性能分析：time 命令

time ./copy

输出说明：

• real：总执行时间
• user：用户空间耗时
• sys：系统调用耗时

I/O 密集型程序，sys 会占比较高。

---

八、总结与建议

操作	场景建议
open	精细控制文件打开方式
read/write	控制读取/写入字节精度
lseek	随机读写或偏移操作
ioctl	驱动开发与设备控制
fopen/fread	高级抽象，适合应用层

技巧建议：

• 所有 open() 后的 fd 必须在适当时机 close()。
• 处理文件写入建议加 O_APPEND 防止并发写覆盖。
• 出错检查别忘记使用 strerror(errno) 获取具体错误信息。

---

拓展阅读

• dup/dup2：复制文件描述符
• poll/select：多路复用
• mmap：内存映射文件
• /proc 虚拟文件系统