抱歉，您的浏览器无法访问本站
本页面需要浏览器支持（启用）JavaScript
了解详情 >

02.Linux应用-文件IO基础

Linux

发布于：2025年3月6日

次浏览

文件 I/O 指的是对文件的输入/输出操作，说白了就是对文件的读写操作； Linux 下一切皆文件，文件作为 Linux 系统设计思想的核心理念，在 Linux 系统下显得尤为重要。

1 简单的文件 IO 示例

一个通用的 IO 模型通常包括打开文件、读写文件、关闭文件这些基本操作，主要涉及到 4 个函数： open()、 read()、 write()以及 close()。

下面是一个简单地文件读写示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    char buff[1024];
    int fd1, fd2;
    int ret;
    
    /* 打开源文件 src_file(只读方式) */
    fd1 = open("./src_file", O_RDONLY);
    if (-1 == fd1)
    	return fd1;
    
    /* 打开目标文件 dest_file(只写方式) */
    fd2 = open("./dest_file", O_WRONLY);
    if (-1 == fd2) {
    	ret = fd2;
    	goto out1;
    }
    
    /* 读取源文件 1KB 数据到 buff 中 */
    ret = read(fd1, buff, sizeof(buff));
    if (-1 == ret)
    	goto out2;
    
    /* 将 buff 中的数据写入目标文件 */
    ret = write(fd2, buff, sizeof(buff));
    if (-1 == ret)
   		goto out2;
    ret = 0;
    
    out2:
    /* 关闭目标文件 */
    close(fd2);
    
    out1:
    /* 关闭源文件 */
    close(fd1);
    return ret;
}

从源文件 src_file 中读取 1KB 数据，然后将其写入到目标文件 dest_file 中（这里假设当前目录下这两个文件都是存在的）；

在进行读写操作之前，首先调用 open 函数将源文件和目标文件打开，成功打开之后再调用 read 函数从源文件中读取 1KB 数据，然后再调用 write 函数将这 1KB 数据写入到目标文件中，至此，文件读写操作就完成了，读写操作完成之后，最后调用 close 函数关闭源文件和目标文件。

2文件描述符

调用 open 函数会有一个返回值，譬如示例代码 中的 fd1 和 fd2，这是一个 int 类型的数据，在 open函数执行成功的情况下，会返回一个非负整数，该返回值就是一个文件描述符（file descriptor），这说明文件描述符是一个非负整数；对于 Linux 内核而言，所有打开的文件都会通过文件描述符进行索引。

当调用 open 函数打开一个现有文件或创建一个新文件时，内核会向进程返回一个文件描述符，用于指代被打开的文件，所有执行 IO 操作的系统调用都是通过文件描述符来索引到对应的文件，譬如示例代码中，当调用 read/write 函数进行文件读写时，会将文件描述符传送给 read/write 函数，所以在代码中， fb1 就是源文件 src_file 被打开时所对应的文件描述符，而 fd2 则是目标文件 dest_file 被打开时所对应的文件描述符。

一个进程可以打开多个文件，但是在 Linux 系统中，一个进程可以打开的文件数是有限制，并不是可以无限制打开很多的文件。一个进程最多可以打开 1024 个文件

对于一个进程来说，文件描述符是一种有限资源，文件描述符是从 0 开始分配的，譬如说进程中第一个被打开的文件对应的文件描述符是 0、第二个文件是 1、第三个文件是 2、第 4 个文件是 3……以此类推，所以由此可知，文件描述符数字最大值为 1023（0~1023）。

当我们在程序中，调用 open 函数打开文件的时候，分配的文件描述符一般都是从 3 开始， 0、 1、 2 这三个文件描述符已经默认被系统占用了，分别分配给了系统标准输入（0）、标准输出（1）以及标准错误（2）。

  • 标准输入一般对应的是键盘，可以理解为 0 便是打开键盘对应的设备文件时所得到的文件描述符；
  • 标准输出一般指的是 LCD 显示器，可以理解为 1 便是打开 LCD 设备对应的设备文件时所得到的文件描述符；
  • 标准错误一般指的也是 LCD 显示器。

3open打开文件

在 Linux 系统中要操作一个文件，需要先打开该文件，得到文件描述符，然后再对文件进行相应的读写操作（或其他操作），最后在关闭该文件； open 函数用于打开文件，当然除了打开已经存在的文件之外，还可以创建一个新的文件，函数原型如下所示： 

1
2
3
4
5
6
#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);

在 Linux 系统下，可以通过 man 命令（也叫 man 手册）来查看某一个Linux系统调用的帮助信息， man命令可以将该系统调用的详细信息显示出来，譬如函数功能介绍、函数原型、参数、返回值以及使用该函数所需包含的头文件等信息；man更像是一份帮助手册，所以也把它称为man 手册，当我们需要查看某个系统调用的功能介绍、使用方法时，不用在上网到处查找，直接通过 man 命令便可以搞定， man命令用法如下所示： 

1
man 2 open  #查看 open 函数的帮助信息

man 命令后面跟着两个参数，数字 2 表示系统调用， man 命令除了可以查看系统调用的帮助信息外，还可以查看 Linux 命令（对应数字 1）以及标准 C 库函数（对应数字 3）所对应的帮助信息；最后一个参数 open 表示需要查看的系统调用函数名。

在应用程序中调用 open 函数即可传入 2 个参数（pathname、 flags）、也可传入 3 个参数（pathname、 flags、 mode），但是第三个参数 mode 需要在第二个参数 flags 满足条件时才会有效；在应用程序中使用 open 函数时，需要包含 3 个头文件“ #include <sys/types.h>”、“#include <sys/stat.h>”、“#include <fcntl.h>”。

  • pathname： 字符串类型，用于标识需要打开或创建的文件，可以包含路径（绝对路径或相对路径）信息，譬如： “./src_file”（当前目录下的 src_file 文件）、 **”/home/dengtao/hello.c”**等； 如果 pathname 是一个符号链接，会对其进行解引用。

  • flags： 调用 open 函数时需要提供的标志，包括文件访问模式标志以及其它文件相关标志，这些标志使用宏定义进行描述，都是常量， open 函数提供了非常多的标志，我们传入 flags 参数时既可以单独使用某一个标志，也可以通过位或运算（|）将多个标志进行组合。这些标志介绍如下：

    标志 用途 说明
    O_RDONLY 以只读方式打开文件 这三个是文件访问权限标志，传入的flags 参数中必须要包含其中一种标志，而且只能包含一种，打开的文件只能按照这种权限来操作，譬如使用了 O_RDONLY 标志，就只能对文件进行读取操作，不能写操作。
    O_WRONLY 以只写方式打开文件 同上
    O_RDWR 以可读可写方式打开文件 同上
    O_CREAT 如果 pathname 参数指向的文件不存在则创建此文件 使用此标志时，调用 open 函数需要传入第 3 个参数 mode，参数 mode 用于指定新建文件的访问权限，稍后将对此进行说明。open 函数的第 3 个参数只有在使用了 O_CREAT 或 O_TMPFILE 标志时才有效。
    O_DIRECTORY 如果 pathname 参数指向的不是一个目录，则调用 open 失败
    O_EXCL 此标志一般结合 O_CREAT 标志一起使用，用于专门创建文件。在 flags 参数同时使用到了 O_CREAT 和O_EXCL 标志的情况下，如果 pathname 参数指向的文件已经存在，则 open 函数返回错误。 可以用于测试一个文件是否存在，如果不存在则创建此文件，如果存在则返回错误，这使得测试和创建两者成为一个原子操作；关于原子操作，在后面的内容当中将会对此进行说明。
    O_NOFOLLOW 如果 pathname 参数指向的是一个符号链接，将不对其进行解引用，直接返回错误。 不加此标志情况下，如果 pathname参数是一个符号链接，会对其进行解引用。

  • mode： 此参数用于指定新建文件的访问权限，只有当 flags 参数中包含 O_CREAT 或 O_TMPFILE 标志时才有效（O_TMPFILE 标志用于创建一个临时文件）。

我们调用 open 函数去新建一个文件时，也需要指定该文件的权限，而 mode 参数便用于指定此文件的权限，接下来看看我们该如何通过 mode 参数来表示文件的权限，首先 mode 参数的类型是 mode_t，这是一个 u32 无符号整形数据，权限表示方法如下所示：

从低位从上看，每 3 个 bit 位分为一组，分别表示：

  • O—这 3 个 bit位用于表示其他用户的权限；

  • G—这 3 个 bit 位用于表示同组用户（group）的权限，即与文件所有者有相同组 ID的所有用户；

  • U—这 3 个 bit位用于表示文件所属用户的权限，即文件或目录的所属者；

  • S—这 3 个 bit 位用于表示文件的特殊权限，文件特殊权限一般用的比较少

只有用户对该文件具有相应权限时，才可以使用对应的标志去打开文件，否则会打开失败！譬如，我们的程序对该文件只有只读权限，那么执行 open 函数使用 O_RDWR 或 O_WRONLY 标志将会失败。

在实际编程中，我们可以直接使用 Linux 中已经定义好的宏，不同的宏定义表示不同的权限，如下所示：

宏定义 说明
S_IRUSR 允许文件所属者读文件
S_IWUSR 允许文件所属者写文件
S_IXUSR 允许文件所属者执行文件
S_IRWXU 允许文件所属者读、写、执行文件
S_IRGRP 允许同组用户读文件
S_IWGRP 允许同组用户写文件
S_IXGRP 允许同组用户执行文件
S_IRWXG 允许同组用户读、写、执行文件
S_IROTH 允许其他用户读文件
S_IWOTH 允许其他用户写文件
S_IXOTH 允许其他用户执行文件
S_IRWXO 允许其他用户读、写、执行文件
S_ISUID S_ISGID S_ISVTX set-user-ID（特殊权限） set-group-ID（特殊权限） sticky（特殊权限）

返回值： 成功将返回文件描述符，文件描述符是一个非负整数；失败将返回-1。

使用 open 函数打开一个指定的文件（譬如/home/dengtao/hello），如果该文件不存在则创建该文件，创建该文件时，将文件权限设置如下：文件所属者拥有读、写、执行权限；同组用户与其他用户只有读权限。使用可读可写方式打开：

1
2
3
int fd=open("/home/dengtao/hello", O_RDWR|O_CREAT,S_IRWXU|S_IRGRP|S_IROTH); 
if (-1 == fd)
	return fd;

4write写文件

调用 write 函数可向打开的文件写入数据，其函数原型如下所示（可通过”man 2 write”查看）： 

1
2
3
#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • fd： 文件描述符。
  • buf： 指定写入数据对应的缓冲区。
  • count： 指定写入的字节数。
  • 返回值： 如果成功将返回写入的字节数（0 表示未写入任何字节），如果此数字小于 count 参数，这不是错误，譬如磁盘空间已满，可能会发生这种情况；如果写入出错，则返回-1。

对于普通文件（我们一般操作的大部分文件都是普通文件，譬如常见的文本文件、二进制文件等），不管是读操作还是写操作，一个很重要的问题是：从文件的哪个位置开始进行读写操作？也就是 IO 操作所对应的位置偏移量，读写操作都是从文件的当前位置偏移量处开始，当然当前位置偏移量可以通过 lseek 系统调用进行设置，关于此函数后面再讲；默认情况下当前位置偏移量一般是 0，也就是指向了文件起始位置，当调用 read、 write 函数读写操作完成之后，当前位置偏移量也会向后移动对应字节数，譬如当前位置偏移量为 1000 个字节处，调用 write()写入或 read()读取 500 个字节之后，当前位置偏移量将会移动到 1500 个字节处。

5read读文件

调用 read 函数可从打开的文件中读取数据，其函数原型如下所示（可通过”man 2 read”查看）： 

1
2
3
#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • fd： 文件描述符。与 write 函数的 fd 参数意义相同。
  • buf： 指定用于存储读取数据的缓冲区。
  • count： 指定需要读取的字节数。
  • 返回值： 如果读取成功将返回读取到的字节数，实际读取到的字节数可能会小于 count 参数指定的字节数，也有可能会为 0，譬如进行读操作时，当前文件位置偏移量已经到了文件末尾。实际读取到的字节数少于要求读取的字节数，譬如在到达文件末尾之前有 30 个字节数据，而要求读取 100 个字节，则 read 读取成功只能返回 30；而下一次再调用 read 读，它将返回 0（文件末尾）。

6close关闭文件

可调用 close 函数关闭一个已经打开的文件，其函数原型如下所示（可通过”man 2 close”查看）： 

1
2
3
#include <unistd.h>

int close(int fd);

  • fd： 文件描述符，需要关闭的文件所对应的文件描述符。

  • 返回值： 如果成功返回 0，如果失败则返回-1。

除了使用 close 函数显式关闭文件之外，在 Linux 系统中，当一个进程终止时，内核会自动关闭它打开的所有文件，也就是说在我们的程序中打开了文件，如果程序终止退出时没有关闭打开的文件，那么内核会自动将程序中打开的文件关闭。很多程序都利用了这一功能而不显式地用 close

关闭打开的文件。

显式关闭不再需要的文件描述符往往是良好的编程习惯，会使代码在后续修改时更具有可读性，也更可靠，进而言之，文件描述符是有限资源，当不再需要时必须将其释放、归还于系统。

7Iseek

对于每个打开的文件，系统都会记录它的读写位置偏移量，我们也把这个读写位置偏移量称为读写偏移量，记录了文件当前的读写位置，当调用 read()或 write()函数对文件进行读写操作时，就会从当前读写位置偏移量开始进行数据读写。

读写偏移量用于指示 read()或 write()函数操作时文件的起始位置，会以相对于文件头部的位置偏移量来表示，文件第一个字节数据的位置偏移量为 0。

当打开文件时，会将读写偏移量设置为指向文件开始位置处，以后每次调用read()、 write()将自动对其进行调整，以指向已读或已写数据后的下一字节，因此，连续的调用 read()和 write()函数将使得读写按顺序递增，对文件进行操作。

lseek 函数的原型，如下所示（可通过”man 2 lseek”查看）：

1
2
3
4
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

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

  • fd： 文件描述符。

  • offset： 偏移量，以字节为单位。

  • whence： 用于定义参数 offset 偏移量对应的参考值，该参数为下列其中一种（宏定义）：

    • SEEK_SET：读写偏移量将指向 offset 字节位置处（从文件头部开始算）；
    • SEEK_CUR：读写偏移量将指向当前位置偏移量 + offset 字节位置处， offset 可以为正、也可以为负，如果是正数表示往后偏移，如果是负数则表示往前偏移；
    • SEEK_END：读写偏移量将指向文件末尾 + offset 字节位置处，同样 offset 可以为正、也可以为负，如果是正数表示往后偏移、如果是负数则表示往前偏移。

  • 返回值： 成功将返回从文件头部开始算起的位置偏移量（字节为单位），也就是当前的读写位置；发生错误将返回-1。

使用示例：

(1)将读写位置移动到文件开头处： 

1
2
3
off_t off = lseek(fd, 0, SEEK_SET); 
if (-1 == off)
	return -1;

(2)将读写位置移动到文件末尾： 

1
2
3
off_t off = lseek(fd, 0, SEEK_END); 
if (-1 == off)
	return -1;

(3)将读写位置移动到偏移文件开头 100 个字节处： 

1
2
3
off_t off = lseek(fd, 100, SEEK_SET);
if (-1 == off) 
    return -1;

(4)获取当前读写位置偏移量： 

1
2
3
off_t off = lseek(fd, 0, SEEK_CUR); 
if (-1 == off)
	return -1;

函数执行成功将返回文件当前读写位置。

更新于：2025年3月26日

Linux

字数：4.4k 字

时长：16 分钟

评论