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：
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打开文件：
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open(): 打开文件并返回文件描述符。
int fd = open("filename", O_RDONLY);
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读取文件：
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read(): 从文件中读取数据。
ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, count);
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写入文件：
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write(): 向文件中写入数据。
ssize_t bytes_written = write(fd, buffer, count);
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关闭文件：
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close(): 关闭打开的文件描述符。
close(fd);
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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）。
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;
}
