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前言
本文将从文件的基本概念出发，先回顾 C 语言中文件操作的常用接口，再逐步过渡到 Linux 系统调用，解析文件描述符、文件打开对象、进程与文件的关系等关键概念。通过代码示例和原理分析，带你揭开 Linux 基础 IO 的神秘面纱，理解操作系统如何管理文件、进程如何与文件交互的底层逻辑。
lesson 15_基础IO
一、共识原理
文件 = 内容 + 属性。
文件分为 打开的文件 和 没打开的文件。
打开的文件：谁打开的？进程！—— 本质是研究进程和文件的关系。
没打开的文件：在哪里放着呢？在磁盘上。我们最关注的问题？没有被打开的文件非常多，文件如何被分门别类的放置好（如何存储） —— 我们要快速的进行增删查改 —— 快速找到文件。
文件被打开，必须先被加载到内存！
进程：打开的文件 = 1：n。
小结：操作系统内部，一定存在大量的别打开的文件！—— OS 要不要管理这些被打开的文件呢？ —— 怎么管理？？？—— 先描述，在组织。—— 在内核中，一个被打开的文件都必须有自己的文件打开对象，包含文件的很多属性。struct XXX{文件属性；struct XXX *next};
二、回顾C语言接口
2.1 文件的打开操作
fopen 函数用于打开文件，格式为
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);path: 文件路径或文件名。如果只有文件名，操作系统会在当前工作目录（cwd）下查找该文件。mode: 文件打开模式。常见模式有：w: 如果文件已存在，先清空文件再写入。如果文件不存在，创建新文件。a: 以追加模式打开文件，在文件末尾添加内容。
当前路径 (cwd): 每个进程维护一个当前工作目录，操作系统会根据该目录来查找文件。如果路径没有指定，
fopen会使用进程的当前工作路径。2.2 文件的读取与写入操作
fwrite 用于向文件写入数据。其函数声明为：
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);ptr: 指向要写入数据的指针。size: 每个写入对象的大小。nmemb: 要写入的对象个数。stream:文件流指针
举例使用：
int main() { FILE *fp = fopen("log.txt", "w"); if (fp == NULL) { perror("fopen"); return errno; } char* str = "Hello Linux!"; fwrite(str, strlen(str), 1, fp); fclose(fp); return 0; }fwrite的第二个参数是指每个写入对象的大小，strlen函数返回的值是不包含字符串结束标识符，那么我们传参是加一还是不加一呢？加一就代表把\0写入到文件中，那么我们是应该怎么选择呢？这里不妨试一试加一的结果：注意 log.txt 文件中，字符串的末尾有一个
^@，是什么意思呢？实际上这个字符组合是表示\0的ASCII码，所以写入字符串时，使用strlen计算字符串长度时，不包括结束符\0。通常不需要将\0写入文件，因为它是 C 语言中的结束标志，而在其它语言中读取文件时，可能不希望看到这些无关的字符。
2.3 三个标准输入输出流
C 程序启动时，会自动打开以下三个标准流：
- stdin: 标准输入流（通常与键盘连接）。
- stdout: 标准输出流（通常与显示器连接）。
- stderr: 标准错误流（通常与显示器连接）。
这三个流都由操作系统和 C 标准库提供，并用于处理程序与外部交互的基本输入输出。
三、过渡到系统，认识文件系统调用
文件其实是在磁盘上的，磁盘是外部设备，访问磁盘文件其实是访问硬件！几乎所有的库只要是访问硬件设备，必定要封装系统调用。
3.1 open 系统调用
open 是一个用于打开文件或创建文件的系统调用，其原型为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
- 参数说明：
pathname: 文件路径。flags: 打开文件时的标志，例如：O_RDONLY：只读打开。O_WRONLY：只写打开。O_RDWR：读写打开。O_CREAT：文件不存在时创建文件。O_TRUNC：打开文件时清空文件内容。O_APPEND：以追加模式打开文件。
mode: 在使用O_CREAT时，需要指定新文件的访问权限。
- 返回值：成功返回文件描述符，失败返回 -1。
1. 比特位标志位示例
通过按位或（|）传递多个标志位，可以在同一次调用中同时指定多个选项。
代码示例：
#define ONE (1<<0) // 1
#define TWO (1<<1) // 2
#define FOUR (1<<2) // 4
#define EIGHT (1<<3) // 8
void show(int flags)
{
if(flags & ONE) printf("function1\n");
if(flags & TWO) printf("function2\n");
if(flags & FOUR) printf("function3\n");
if(flags & EIGHT) printf("function4\n");
return;
}
int main()
{
printf("--------------------------------------\n");
show(ONE);
printf("--------------------------------------\n");
show(ONE | TWO);
printf("--------------------------------------\n");
show(ONE | TWO | FOUR );
printf("--------------------------------------\n");
show(ONE | TWO | FOUR | EIGHT);
printf("--------------------------------------\n");
return 0;
}
输出示例：
3.2 write 系统调用
write 用于将数据写入文件，其原型为：
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
- 参数说明：
fd: 文件描述符。buf: 指向数据缓冲区的指针。count: 要写入的数据字节数。
- 返回值：实际写入的字节数。
1. 模拟实现 w 选项
模拟 fopen 的 w 模式（清空文件后写入）：
int main()
{
umask(0); // 将权限掩码设置成0000
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
if(fd < 0)
{
printf("open file error\n");
return 1;
}
const char* str = "bbb";
ssize_t ret = write(fd, str, strlen(str));
close(fd);
return 0;
}
2. 模拟实现 a 选项
模拟 fopen 的 a 模式（追加写）：
int main()
{
umask(0);
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
if(fd < 0)
{
printf("open file error\n");
return errno;
}
const char* str = "bbb";
ssize_t ret = write(fd, str, strlen(str));
close(fd);
return 0;
}
3.3 read 系统调用
read 用于从文件中读取数据，其原型为：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
- 参数说明：
fd: 文件描述符。buf: 存储读取数据的缓冲区。count: 缓冲区的大小。
- 返回值：实际读取的字节数。
四、访问文件的本质
struct file结构体的作用
- 当文件被打开时，操作系统为该文件创建一个
struct file结构体对象，负责管理该文件的元数据和访问信息。 - 操作系统对文件的管理本质上就是对这些
struct file结构体对象的管理，它们被组织成一个双链表，保存所有当前打开的文件。
- 文件描述符表（
files_struct）
- 每个进程都有一个
struct files_struct类型的对象，它记录了该进程所打开的所有文件的信息。 struct files_struct中有一个文件描述符表，维护了一个struct file*类型的数组。数组的下标就是文件描述符，指向进程打开的文件的struct file结构体对象。
- 文件描述符的分配规则
- 操作系统会为进程打开的新文件分配一个文件描述符，分配从 3 开始（因为标准输入、输出、错误流占用文件描述符 0、1、2）。
- 新打开的文件将从进程的文件描述符表中找到最小的未使用下标，作为文件描述符。
FILE类型在 C 语言中的作用
FILE是 C 语言库中的封装类型，用于描述文件，它提供了更高层次的文件操作接口。FILE类型内部封装了文件描述符，_fileno字段就是对应的文件描述符，可以通过它来访问底层的文件描述符。int main() { umask(0); int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); int fd3 = open("log3.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); int fd4 = open("log4.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); printf("fd1: %d\n", fd1); printf("fd2: %d\n", fd2); printf("fd3: %d\n", fd3); printf("fd4: %d\n", fd4); return 0; }
- 文件的引用计数与关闭
- 文件可以被多个进程同时打开，
struct file中有一个f_count字段来记录文件的引用计数。 - 当进程关闭文件时，
close系统调用会将文件描述符表中对应位置的内容置为 NULL，减少文件的引用计数。如果引用计数为 0，操作系统会回收该文件对应的资源。
- 标准输入、输出和错误流（文件描述符 0, 1, 2）
操作系统会在程序启动时自动打开标准输入（文件描述符 0）、标准输出（文件描述符 1）和标准错误（文件描述符 2）。
这三个文件描述符是预留的，程序中打开的新文件会从文件描述符 3 开始。
- 文件描述符的关闭与输出
通过
close系统调用关闭文件描述符后，进程无法再通过该文件描述符进行文件操作。例如，关闭标准输出（close(1)）会导致后续的printf输出无法显示，但其他流如标准错误仍然有效。int main() { close(1); // 将 stdout 关闭 int ret = printf("stdin->fd: %d\n", stdin->_fileno); printf("stdout->fd: %d\n", stdout->_fileno); printf("stderr->fd: %d\n", stderr->_fileno); fprintf(stderr, "printf ret: %d\n", ret); return 0; }
结语
IO 操作是操作系统的 “血脉”，理解其底层原理不仅能帮助我们写出更健壮的代码，还能为深入学习进程通信、网络编程等高级主题奠定基础。希望本文能成为你探索 Linux 系统编程的一块基石，在后续的学习中，你可以尝试结合实际项目，对比不同 IO 接口的性能差异，或深入分析内核源码中的文件管理逻辑，进一步提升技术深度。
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