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Linux文件I/O系统调用深度解析

news 2025/6/20 11:29:58

Linux文件I/O系统调用深度解析

一、系统调用基础

核心概念
- Linux内核通过系统调用提供用户态程序访问内核功能的接口
- 无需理解内核实现细节即可使用基础功能（如文件操作）
- 执行流程：用户态→软中断→内核态处理→返回结果

文件I/O四大操作

int open(const char *pathname, int flags);   // 打开文件
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);   // 读取数据
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);  // 写入数据
int close(int fd);   // 关闭文件

二、open()函数详解

参数说明：

// pathname: 文件路径（支持绝对/相对路径）
// flags: 打开模式（位掩码组合）

标志位解析：

类别	标志位	功能
必选	`O_RDONLY`	只读模式
	`O_WRONLY`	只写模式
	`O_RDWR`	读写模式
可选	`O_CREAT`	文件不存在时自动创建
	`O_TRUNC`	打开时清空文件内容
	`O_APPEND`	追加模式（防覆盖）

返回值：

成功：返回最小可用文件描述符（≥3，0/1/2被标准流占用）
失败：返回-1（需配合错误处理）

三、关键操作函数

read()数据读取

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
// 返回实际读取字节数，0表示EOF，-1表示错误

write()数据写入

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
// 返回实际写入字节数（可能小于count）

lseek()文件定位

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
// whence: SEEK_SET(文件头)/SEEK_CUR(当前位置)/SEEK_END(文件尾)

四、错误处理机制

errno全局变量

#include <errno.h>
extern int errno;  // 存储最近系统调用的错误码

错误信息转换

// 方法1：获取错误描述字符串
char *strerror(int errnum); // 方法2：直接打印错误信息
perror("open");  // 输出示例：open: No such file or directory

注意事项
- 错误码仅在函数返回失败时有效
- 非常规错误：EINTR（系统调用被信号中断）
- 必须检查每个系统调用的返回值

五、实战代码示例

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {int fd = open("data.log", O_RDWR | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("文件打开失败");return 1;}// 写入数据char msg[] = "Hello System Call";if (write(fd, msg, sizeof(msg)) == -1) {perror("写入失败");close(fd);return 1;}// 重置文件指针到开头lseek(fd, 0, SEEK_SET);// 读取数据char buf[100];ssize_t bytes = read(fd, buf, sizeof(buf));if (bytes > 0) {printf("读取内容: %.*s\n", (int)bytes, buf);}close(fd);return 0;
}

六、技术要点总结

特性	说明
文件描述符重用	关闭文件后描述符可被新文件复用
原子操作	`O_CREAT
内核缓冲区	`write()` 数据先写入内核缓冲区，由系统决定同步到磁盘的时间
标准文件描述符	0(stdin), 1(stdout), 2(stderr) 在进程启动时自动打开

扩展知识：