【Linux】基础IO（二）：系统文件IO

一、IO操作的层级调用关系

简单来说：C/C++程序（标准库）→ 调用 →系统调用→ 调用 →操作系统→ 调用 →硬件驱动→ 操作 →硬件。

应用程序 (App) ↓ C/C++ 标准库 (Libc) ↓ 系统调用接口 (Syscall) ↓ 操作系统内核 (Kernel) ↓ 硬件驱动程序 (Driver) ↓ 硬件 (Hardware)

• 操作系统为保证安全，仅通过系统调用对外开放硬件访问接口，任何程序（包括C标准库）都需通过系统调用才能自上而下访问操作系统→硬件驱动→硬件；
• printf/fprintf/fscanf/fwrite/fread/fgets/gets等文件操作库函数，本质是对文件类系统调用的封装，其底层均依赖系统调用实现对硬件的读写。

二、open

系统接口中使用open函数打开文件，open函数的函数原型如下：

intopen(constchar*pathname,intflags,mode_tmode);

2.1 第一个参数

open函数的第一个参数是pathname，表示要打开或创建的目标文件。

• 若pathname以路径的方式给出，则当需要创建该文件时，就在pathname路径下进行创建。
• 若pathname以文件名的方式给出，则当需要创建该文件时，默认在当前路径下进行创建。（注意当前路径的含义）

2.2 第二个参数

open函数的第二个参数是flags，表明打开文件的方式。

我们要告诉操作系统：“我要读写模式打开”、“如果文件不存在就创建”、“每次写都追加到末尾”。

• 如果按照常规思维，这需要 3 个布尔类型的参数（isReadWrite,isCreate,isAppend）。如果有 10 种操作模式，难道要写 10 个参数吗？

显然不是。Linux 大神们只用了一个int类型（32位）就搞定了。这背后的核心魔法，就是比特位传递标志位。

2.2.1 核心原理：把整数当成“32 个开关的面板”

我们可以把一个int类型的变量，想象成一个拥有32 个独立开关的控制面板。

• 一个开关（比特位）：只有两种状态，0（关）或 1（开）。
• 一个整数：就是这 32 个开关的集合。

通过操作这些开关，我们就能用这一个整数，同时传递 32 个“是/否”的指令。

2.2.2 第一步：定义开关（宏定义与左移<<）

操作系统需要先定义好，哪个开关代表什么意思。这就是<fcntl.h>头文件中那些宏定义的由来。

为了保证每个开关互不干扰，我们使用1 << n（1 左移 n 位）的方式来定义：

• O_RDWR** (读写)**：定义在第 1 位 →1 << 1→ 二进制000...0010
• O_CREAT** (创建)**：定义在第 6 位 →1 << 6→ 二进制000...1000000
• O_APPEND** (追加)**：定义在第 10 位 →1 << 10→ 二进制000...10000000000

为什么要这么做？

因为左移操作保证了每一个宏对应的二进制数中，只有某一位是 1，其他位全是 0。这就像给每个开关贴上了唯一的标签，按下 O_CREAT 绝对不会误触 O_RDWR。

2.2.3 第二步：按下开关（传参与按位或|）

当我们在代码中调用open时，我们需要告诉系统：“我要同时按下读写和创建这两个开关”。

这时候我们使用 **按位或 **|运算符。它的规则是：只要有一个是 1，结果就是 1。

场景模拟：
我们要传递O_RDWR | O_CREAT：

O_RDWR: 000...0000 0010 | O_CREAT: 000...0100 0000 ---------------------------- 结果: 000...0100 0010

看！结果整数中，第 1 位和第 6 位都变成了 1。我们成功地把两个指令“打包”进了一个整数里，传给了内核。

2.2.4 第三步：检查开关（解析与按位与&）

open函数的内核源码收到这个整数后，怎么知道你按下了哪些开关呢？

它使用按位与&运算符。它的规则是：两个都是 1，结果才是 1。

内核逻辑模拟：

1. 检查是否要创建文件？
   传入的整数 & O_CREAT
   • 如果结果不为 0，说明第 6 位是 1 →执行创建逻辑。
   • 如果结果为 0，说明第 6 位是 0 →跳过创建逻辑。
2. 检查是否要追加写入？
   传入的整数 & O_APPEND
   • 同理，判断第 10 位是否为 1。

通过这种方式，内核就能精准地解析出我们想要的所有操作模式。

这种设计模式不仅存在于open函数，在socket、fcntl等系统调用中无处不在。掌握了“比特位传递标志位”，你就掌握了阅读 Linux 源码的一把金钥匙。

2.2.5 常见的选项如下

2.3 第三个参数

mode参数仅在使用O_CREAT标志创建文件时生效，用于指定文件的默认权限；若无需创建文件，该参数可省略。

2.3.1 基础用法示例

当将mode设置为0666时，期望创建的文件权限为：

• 所有者（user）：读、写（6 →rw-）
• 所属组（group）：读、写（6 →rw-）
• 其他用户（other）：读、写（6 →rw-）
• 权限表示：-rw-rw-rw-

2.3.2 umask（文件默认掩码）的影响

文件实际创建的权限并非直接等于mode，而是受系统umask（默认掩码）约束，计算公式为：

实际权限 = mode & (~umask)

默认场景示例：

• 系统默认umask为0002（二进制：000 000 010）
• 设置mode = 0666（二进制：110 110 110）
• 计算过程：0666 & (~0002) = 0664
• 最终权限：-rw-rw-r--（所有者/组可读可写，其他用户仅可读）

2.3.3 取消umask影响的方法

若希望文件权限完全按mode设置，不受umask干扰，可在调用open前通过umask函数将掩码置0：

umask(0);// 将文件默认掩码设置为0，后续创建文件权限完全遵循modeintfd=open("test.txt",O_CREAT|O_RDWR,0666);// 实际权限为0666

注意事项

• mode的值需以0开头（八进制），如0666而非666（十进制）；
• 即使设置mode = 0777，若umask = 0022，实际权限仍为0755；
• 无需创建文件时（未使用O_CREAT），open无需传入第三个参数。

open函数的返回值是新打开文件的文件描述符。

2.4 实例测试

我们可以尝试一次打开多个文件，然后分别打印它们的文件描述符。

#include<stdio.h>#include<sys/stat.h>#include<sys/types.h>#include<fcntl.h>intmain(){umask(0);intfd1=open("log1.txt",O_RDONLY|O_CREAT,0666);intfd2=open("log2.txt",O_RDONLY|O_CREAT,0666);intfd3=open("log3.txt",O_RDONLY|O_CREAT,0666);intfd4=open("log4.txt",O_RDONLY|O_CREAT,0666);intfd5=open("log5.txt",O_RDONLY|O_CREAT,0666);printf("fd1:%d\n",fd1);printf("fd2:%d\n",fd2);printf("fd3:%d\n",fd3);printf("fd4:%d\n",fd4);printf("fd5:%d\n",fd5);return0;}

运行程序后可以看到，打开文件的文件描述符是从3开始连续且递增的

我们再尝试打开一个根本不存在的文件，也就是open函数打开文件失败。

#include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>intmain(){intfd=open("test.txt",O_RDONLY);printf("%d\n",fd);return0;}

运行程序后可以看到，打开文件失败时获取到的文件描述符是-1。

总结

1. 文件描述符（File Descriptor，简称 fd）是 Linux 系统操作文件的核心标识，它的本质并非随机数字，而是进程内一个指针数组的下标。Linux 进程会维护一个专门的指针数组，数组中每个元素（指针）都指向一个“已打开文件的信息结构体”，这个结构体包含了文件路径、读写位置、权限等所有文件相关信息，通过文件描述符这个下标，就能精准找到对应的文件信息。
2. 当使用 open 函数成功打开文件时，系统会在这个指针数组中新增一个指向该文件信息的指针，随后将这个指针在数组中的下标作为文件描述符返回；若文件打开失败，则直接返回 -1。正因为数组下标是连续分配的，所以成功打开多个文件时，获得的文件描述符会呈现连续且递增的特点。
3. Linux 进程在默认情况下会预先打开 3 个缺省的文件描述符，分别是代表标准输入的 0、代表标准输出的 1、代表标准错误的 2，这三个下标会被系统占用，这也是为什么我们手动调用 open 函数成功打开文件时，得到的文件描述符总是从 3 开始分配的原因。

三、close

原函数如下：

intclose(intfd);

使用close函数时传入需要关闭文件的文件描述符即可，若关闭文件成功则返回0，若关闭文件失败则返回-1。

四、write

原函数如下：

ssize_twrite(intfd,constvoid*buf,size_tcount);

系统接口中使用write函数向文件写入信息。

我们可以使用write函数，将buf位置开始向后count字节的数据写入文件描述符为fd的文件当中。

• 如果数据写入成功，实际写入数据的字节个数被返回。
• 如果数据写入失败，-1被返回。

实例测试：

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>intmain(){intfd=open("ceshi.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);if(fd<0){perror("open");return1;}constchar*message="hello linux！\n";for(inti=0;i<5;i++){write(fd,message,strlen(message));}close(fd);return0;}

五、read

系统接口中使用read函数从文件读取信息，read函数的函数原型如下：

ssize_tread(intfd,void*buf,size_tcount);

我们可以使用read函数，从文件描述符为fd的文件读取count字节的数据到buf位置当中。

• 如果数据读取成功，实际读取数据的字节个数被返回。
• 如果数据读取失败，-1被返回。

实例测试：

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>intmain(){intfd=open("ceshi.txt",O_RDONLY);if(fd<0){perror("open");return1;}charch;while(1){ssize_ts=read(fd,&ch,1);if(s<=0){break;}write(1,&ch,1);//向文件描述符为1的文件写入数据，即向显示器写入数据}close(fd);return0;}

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