基础IO

重新定义 “文件”：不止于磁盘存储

理解 “文件” 是掌握 Linux 基础 IO 的首要前提，其概念在 Linux 中被广泛延伸，远超传统磁盘文件的范畴。

文件的核心构成：属性 + 内容

无论何种类型的文件，本质都是 **“文件属性（元数据）+ 文件内容”** 的集合。即使是 0KB 的空文件，也会占用磁盘空间，因为其属性（如权限、创建时间、所有者等）需要被持久化存储；对文件的所有操作，最终都可归结为对 “属性” 或 “内容” 的修改。

 从狭义到广义：Linux “一切皆文件”

狭义文件：存储在磁盘上的永久性数据文件（如文本文件、二进制文件），对这类文件的读写操作，本质是与磁盘外设进行输入输出（IO）交互。

广义文件：Linux 将键盘、显示器、网卡、进程等硬件或抽象对象均抽象为文件。例如，读取键盘输入即 “读键盘文件”，向显示器输出即 “写显示器文件”。这种抽象设计让开发者可通过一套统一 API 操作所有设备，极大降低了编程复杂度。

 系统视角：文件操作的本质是进程操作

磁盘等硬件由操作系统统一管理，用户程序无法直接访问硬件。因此，所有文件操作的本质是 “进程对文件的操作”：进程通过系统调用接口向操作系统发起请求，由操作系统完成底层硬件交互。C/C++ 中的 fopen/fwrite 等库函数，仅是对系统调用的封装，目的是简化用户编程流程。

访问文件本质是进程对文件的操作！！！

C 库函数与系统调用

Linux 提供两种核心 IO 操作接口：C 标准库 IO 函数与系统调用 IO 接口，二者层级不同但紧密关联。

C 库 IO 接口：用户层的便捷封装

C 标准库提供了一套面向 “文件流（FILE*）” 的操作函数，核心包括 fopen（打开文件）、fwrite（写文件）、fread（读文件）、fclose（关闭文件），默认维护 3 个标准流。

 核心标准流

C 程序启动时，默认打开 3 个标准文件流，类型均为 FILE*：

stdin：标准输入流，对应键盘，用于读取输入数据。

stdout：标准输出流，对应显示器，用于输出正常信息。

stderr：标准错误流，对应显示器，用于输出错误信息。

常见操作示例

写文件：通过 fopen 打开文件，fwrite 循环写入数据，最后 fclose 关闭文件。

int main()
{FILE *fp = fopen("log.txt", "w");if(fp == NULL){perror("fopen");return 1;}const char *msg = "hello bit: ";int cnt = 1;while(cnt <= 10){char buffer[1024];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s%d\n", msg, cnt++);fwrite(buffer, strlen(buffer), 1, fp);}fclose(fp);return 0；
}

C 语言实现的简易文件查看工具，其功能类似简化版的 cat 命令：

// cat myfile.txt
int main(int argc, char *argv[])
{if(argc != 2){printf("Usage: %s filename\n", argv[0]);return 1;}FILE *fp = fopen(argv[1], "r");if(NULL == fp){perror("fopen");return 2;}while(1){char buffer[128];memset(buffer, 0, sizeof(buffer));int n = fread(buffer, sizeof(buffer)-1, 1, fp);if(n > 0){printf("%s", buffer);}if(feof(fp))break;}fclose(fp);return 0;
}

系统调用 IO 接口：内核层的底层接口

系统调用是操作系统提供的底层 IO 接口，操作对象为文件描述符（fd），核心函数包括 open（打开 / 创建文件）、write（写文件）、read（读文件）、close（关闭文件），使用时需包含 Linux 专用头文件（如 <sys/types.h>、<sys/stat.h>、<fcntl.h>）。

open

open 函数用于打开或创建文件，有两种原型，核心参数与返回值如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
// 1. 打开已存在的文件
int open(const char *pathname, int flags);
// 2. 创建并打开新文件（需指定权限）
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

• pathname：文件路径（相对路径或绝对路径）。

• flags：打开方式标志，必须包含且仅包含 O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（读写）三者之一，可搭配以下标志：

  • O_CREAT：文件不存在时创建。

  • O_TRUNC：清空文件原有内容（如 “>” 重定向逻辑）。

  • O_APPEND：追加写入（如 “>>” 重定向逻辑）。

• mode：文件权限（如 0644 表示所有者读 / 写，其他用户只读），仅当 flags 包含 O_CREAT 时有效。

• 返回值：成功返回新文件的文件描述符（fd），失败返回 -1。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
umask(0);
int fd = open("iog.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);
if(fd < 0){
perror("open");
return 1;
}
int count = 5;
const char *msg = "hello bit!\n";
int len = strlen(msg);
while(count--){
write(fd, msg, len);//fd: 后⾯讲， msg：缓冲区⾸地址， len: 本次读取，期望
写⼊多少个字节的数据。 返回值：实际写了多少字节数据
}
close(fd);
return 0;
}

#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("myfile", O_RDONLY);
if(fd < 0){
perror("open");
return 1;
}
const char *msg = "hello bit!\n";
char buf[1024];
while(1){
ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg));//类⽐write
if(s > 0){
printf("%s", buf);
}else{
break;
}
}
close(fd);
return 0;
}

 

文件描述符（fd）

文件描述符（File Descriptor，简称 fd）是 Linux 中标识 “打开文件” 的非负整数，是理解内核 IO 管理逻辑的核心概念。

 默认的 3 个文件描述符

Linux 进程启动时，默认打开 3 个标准文件描述符，对应 3 个标准流，且 fd 与流的对应关系固定：

fd 值	对应流	默认设备	功能
0	stdin	键盘	标准输入，读取外部数据
1	stdout	显示器	标准输出，输出正常信息
2	stderr	显示器	标准错误，输出错误信息

fd 的本质：数组下标

内核为每个进程维护一个 files_struct 结构体，该结构体包含一个 fd_array 指针数组，fd 本质是这个数组的下标。数组中的每个元素指向一个 file 结构体（存储打开文件的属性、读写位置、操作方法等核心信息）。例如，fd=1 对应的数组元素指向 “显示器文件” 的 file 结构体，因此向 fd=1 写数据会输出到显示器。

fd 的分配规则

当进程通过 open 打开新文件时，操作系统会遵循 “最小未使用下标” 原则  分配 fd：即从 fd_array 数组中找到当前未被占用的最小下标，作为新文件的 fd。

⽂件描述符的分配规则

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
int fd = open("myfile", O_RDONLY);
if(fd < 0){
perror("open");
return 1;
}
printf("fd: %d\n", fd);
close(fd);
return 0;
}

输出结果为3

关闭0或者2，在看

close(0);
//close(2);
int fd = open("myfile", O_RDONLY);
if(fd < 0){
perror("open");
return 1;
}
printf("fd: %d\n", fd);
close(fd);

发现是结果是： fd: 0 或者 fd 2 ，可⻅，⽂件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到

当前没有被使⽤的最⼩的⼀个下标，作为新的⽂件描述符。

重定向

close(1);
int fd = open("myfile", O_WRONLY|O_CREAT, 00644);
if(fd < 0){
perror("open");
return 1;
}
printf("fd: %d\n", fd);
fflush(stdout);
close(fd);
exit(0);

此时，我们发现，本来应该输出到显⽰器上的内容，输出到了⽂件 myfile 当中，其中，fd＝1。这

种现象叫做输出重定向。常⻅的重定向有: > , >> , <

重定向的本质