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Linux下，文件I/O是操作系统与文件系统之间进行数据传输的关键部分。文件I/O操作允许程序读取和写入文件，管理文件的打开、关闭、创建和删除等操作。

1. 文件描述符

在Linux中，每个打开的文件都由一个文件描述符来表示。文件描述符是一个非负整数，通常从0开始，分别表示标准输入stdin、标准输出stdout和标准错误stderr。用户程序打开文件后，操作系统会为其分配一个文件描述符。

2. 文件操作函数

Linux提供了一系列的系统调用和库函数来进行文件操作，主要包括：

• 打开文件

  • open()
    

    打开文件并返回文件描述符。文件描述符是进程访问文件的句柄，后续的read()和write()操作都需要通过它进行。

    int fd = open("filename", O_RDONLY);
    

• 读取文件

  • read()
    

    从文件中读取数据。

    char buf[1024];
    ssize_t bytes_read = read(fd, buf, sizeof(buf));
    

    • 流程
      1. 进程调用read()，请求从文件中读取数据。
      2. 内核检查页缓存中是否存在请求的数据
         • 如果数据在页缓存中，内核将数据从页缓存复制到用户空间的缓冲区。
         • 如果数据不在页缓存中，内核会从磁盘读取数据到页缓存，然后再复制到用户空间。
      3. 返回实际读取的字节数。

• 写入文件

  • write()
    

    向文件中写入数据。

    const char *text = "Hello, world!";
    ssize_t bytes_written = write(fd, text, 13);
    

    • 流程
      1. 进程调用write()，请求将数据写入文件。
      2. 内核将数据从用户空间复制到页缓存中。
      3. 数据被标记为“脏页”，表示需要写回磁盘。
      4. 内核的页回写机制会在适当的时候将脏页写回磁盘。

• 页缓存的作用

  • 页缓存是内核维护的一块内存区域，用于缓存文件数据。
  • 作用
    1. 减少磁盘I/O：通过缓存文件数据，减少对磁盘的直接访问，提高性能。
    2. 延迟写入：write()操作不会立即将数据写入磁盘，而是先写入页缓存，由内核在后续的某个时间点写回磁盘。
    3. 预读机制：内核会提前读取文件数据到页缓存中，优化后续的read()操作。

• 关闭文件

  • close()
    

    使用close()系统调用关闭文件，释放文件描述符。

    close(fd);
    

• 文件状态信息

  • fstat(): 获取文件的状态信息。
  • stat(): 获取文件的状态信息（用于路径名）。

• 页回写机制

  • 内核会在以下情况下将脏页写回磁盘
    1. 页缓存中的脏页达到一定比例。
    2. 进程调用fsync()或fdatasync()强制刷新页缓存。
    3. 系统内存不足时，内核会回收脏页。

3. 文件打开模式

在使用open()函数时，可以指定不同的文件打开模式

• O_RDONLY: 只读模式。
• O_WRONLY: 只写模式。
• O_RDWR: 读写模式。
• O_CREAT: 如果文件不存在则创建文件。
• O_TRUNC: 如果文件存在并以写入模式打开，则将其截断为零长度。
• O_APPEND: 以追加模式打开文件。

4. 文件I/O缓冲

Linux使用缓冲区来提高文件I/O的效率。标准库函数如fread()、fwrite()通常会使用缓冲I/O，而系统调用如read()、write()则直接与内核进行交互。缓冲区的使用可以减少系统调用的次数，从而提高性能。

5. 文件锁定

在多进程或多线程环境中，文件锁定机制可以防止多个进程同时写入同一个文件，导致数据不一致。常用的文件锁定方法包括

• 共享锁（read lock）：允许多个进程同时读取文件。
• 独占锁（write lock）：只允许一个进程写入文件。

可以使用flock()或fcntl()进行文件锁定。

6. 目录操作

除了普通文件，Linux还支持目录操作。常用的目录操作函数包括：

• opendir(): 打开目录。
• readdir(): 读取目录中的条目。
• closedir(): 关闭目录。

7. 文件权限与所有权

Linux文件系统具有严格的权限控制。每个文件都有所有者、组和其他用户的权限，可以通过chmod、chown等命令进行管理。

8. 文件系统

Linux支持多种文件系统，如ext4、XFS、Btrfs等。每种文件系统都有其特定的特点和优缺点，适合不同的使用场景。

9. 异步I/O

Linux还支持异步I/O（AIO），允许程序在进行I/O操作时继续执行其他任务，而不必等待I/O操作完成。可以使用aio_read()和aio_write()函数实现异步I/O。

例子1. 文件的创建与写入

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {int fd;const char *text = "Hello, Linux File I/O!\n";// 创建并打开文件fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd == -1) {perror("Error opening file");return 1;}// 写入数据write(fd, text, strlen(text));// 关闭文件close(fd);return 0;
}

例子2. 文件的读取

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd;char buffer[100];ssize_t bytesRead;// 打开文件fd = open("example.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("Error opening file");return 1;}// 读取数据bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (bytesRead == -1) {perror("Error reading file");close(fd);return 1;}// 添加字符串结束符buffer[bytesRead] = '\0';// 打印读取的数据printf("Read from file: %s", buffer);// 关闭文件close(fd);return 0;
}

例子3. 追加写入文件

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {int fd;const char *text = "Appending this line.\n";// 以追加模式打开文件fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_APPEND);if (fd == -1) {perror("Error opening file");return 1;}// 追加写入数据write(fd, text, strlen(text));// 关闭文件close(fd);return 0;
}

例子4. 目录操作示例

#include <stdio.h>
#include <dirent.h>int main() {DIR *dir;struct dirent *entry;// 打开当前目录dir = opendir(".");if (dir == NULL) {perror("Error opening directory");return 1;}// 读取目录项while ((entry = readdir(dir)) != NULL) {printf("Found file: %s\n", entry->d_name);}// 关闭目录closedir(dir);return 0;
}

例子5. 文件锁定示例

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {int fd;struct flock lock;// 打开文件fd = open("example.txt", O_WRONLY);if (fd == -1) {perror("Error opening file");return 1;}// 初始化锁lock.l_type = F_WRLCK; // 写锁lock.l_whence = SEEK_SET;lock.l_start = 0;lock.l_len = 0; // 锁定整个文件// 加锁if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {perror("Error locking file");close(fd);return 1;}// 写入数据const char *text = "This is a locked write.\n";write(fd, text, strlen(text));// 解锁lock.l_type = F_UNLCK;fcntl(fd, F_SETLK, &lock);// 关闭文件close(fd);return 0;
}

在Linux中，如果要对其他目录中的文件进行I/O操作，只需在文件路径中指定完整的路径名。

1. 在其他目录中创建和写入文件

假设你想在/tmp目录下创建一个文件并写入数据，可以这样做：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {int fd;const char *text = "Hello, Linux File I/O in /tmp!\n";// 创建并打开/tmp目录下的文件fd = open("/tmp/example.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd == -1) {perror("Error opening file");return 1;}// 写入数据write(fd, text, strlen(text));// 关闭文件close(fd);return 0;
}

2. 从其他目录读取文件

如果要从/tmp目录读取文件，可以使用类似的方式：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd;char buffer[100];ssize_t bytesRead;// 打开/tmp目录下的文件fd = open("/tmp/example.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("Error opening file");return 1;}// 读取数据bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (bytesRead == -1) {perror("Error reading file");close(fd);return 1;}// 添加字符串结束符buffer[bytesRead] = '\0';// 打印读取的数据printf("Read from file: %s", buffer);// 关闭文件close(fd);return 0;
}

3. 追加写入其他目录的文件

如果需要在/tmp/example.txt中追加数据，可以这样操作：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {int fd;const char *text = "Appending this line to /tmp/example.txt.\n";// 以追加模式打开/tmp目录下的文件fd = open("/tmp/example.txt", O_WRONLY | O_APPEND);if (fd == -1) {perror("Error opening file");return 1;}// 追加写入数据write(fd, text, strlen(text));// 关闭文件close(fd);return 0;
}

4. 处理文件路径中的空格和特殊字符

如果文件路径中包含空格或特殊字符，可以使用转义字符或用引号括起来。例如：

// 假设文件路径为 "/tmp/my file.txt"
fd = open("/tmp/my\\ file.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);

或者：

fd = open("\"/tmp/my file.txt\"", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);