深入理解Linux文件I/O：系统调用与标志位应用

目录

一、引入

二、标志位

1、什么是标志位？

2、标志位传递示例 

输出结果分析

关键点解释

三、文件描述符(File Descriptor)（先大概了解）

四、接口介绍：open()函数

1、命令查看

2、头文件

3、函数原型

4、参数说明

1. open的第一个参数pathname

2. open的第二个参数

1. 必需标志（必须指定且只能指定一个）

2. 可选标志（可组合使用）

补充说明

扩展：

3. open的第三个参数

基本权限位

特殊权限位

如何使用 mode_t？

1. 直接使用八进制数

2. 使用宏定义组合

3. 设置特殊权限

mode_t 的实际影响

5、返回值

五、接口介绍：close()函数

1、函数原型

2、参数说明

3、返回值

4、常见错误码(errno)

5、基本用法

6、深入理解close操作（了解）

7、注意事项（了解）

六、接口介绍：write()函数

1. write函数原型

2. 参数说明

3. 返回值

4、对文件进行写入操作示例

5. write函数的特点和注意事项

1. 部分写入

2. 阻塞与非阻塞

3. 原子性

4. 文件位置指针

七、接口介绍：read()函数

1、函数原型

2、参数说明

3、返回值

4、对文件进行读取操作示例

八、系统调用和库函数

一、引入

        操作系统提供多种文件访问方式，包括C语言接口、C++接口以及其他语言接口，同时也具备底层系统调用接口，系统调用才是文件操作最底层的实现方式。相较于高级语言库函数，系统调用更接近底层硬件。实际上，各种语言的库函数都是对系统接口的封装实现。

        无论是在Linux还是Windows平台运行C代码，C库函数都通过封装各自操作系统的系统调用接口来实现跨平台性。这种设计不仅保证了语言的通用性，也为二次开发提供了便利。

在学习系统文件I/O前，需要先掌握标志位的传递方法，这在系统文件I/O接口中会频繁使用：

二、标志位

1、什么是标志位？

        标志位（flag）是一种编程中常用的技术，它使用二进制位来表示不同的状态或选项。每个标志位通常对应一个特定的含义，通过位运算可以单独设置、清除或检查这些标志位。

标志位的优点包括：

  • 节省内存（多个布尔状态可以用一个整数的不同位表示）

  • 可以方便地组合多个状态（通过位或运算）

  • 可以高效地检查特定状态（通过位与运算）

2、标志位传递示例 

#include <stdio.h>// 定义三个标志位，每个标志位对应一个不同的二进制位
#define ONE   0x01    // 0000 0001 (二进制)
#define TWO   0x02    // 0000 0010
#define THREE 0x04    // 0000 0100void func(int flags) {// 检查flags是否包含ONE标志if (flags & ONE) printf("flags has ONE!\n");// 检查flags是否包含TWO标志if (flags & TWO) printf("flags has TWO!\n");// 检查flags是否包含THREE标志if (flags & THREE) printf("flags has THREE!\n");printf("\n");
}int main() {func(ONE);                  // 只传递ONE标志func(THREE);                // 只传递THREE标志func(ONE | TWO);            // 传递ONE和TWO标志的组合func(ONE | THREE | TWO);    // 传递所有三个标志的组合return 0;
}

输出结果分析

  1. func(ONE); 输出：flags has ONE!（只有ONE标志被设置）

  2. func(THREE); 输出：flags has THREE!（只有THREE标志被设置）

  3. func(ONE | TWO); 输出：

    flags has ONE!
flags has TWO!（ONE和TWO标志被设置）

  4. func(ONE | THREE | TWO); 输出：

    flags has ONE!
flags has TWO!
flags has THREE!（所有三个标志都被设置）

关键点解释

  1. flags & ONE：这是一个位与运算，用于检查flags变量中是否设置了ONE标志位。如果结果为非零，则表示设置了该标志。

  2. ONE | TWO：这是一个位或运算，用于组合多个标志位。结果是一个同时包含ONE和TWO标志的值。

  3. 标志位的值选择：每个标志位对应一个不同的二进制位（0x01, 0x02, 0x04等），这样它们可以独立设置和检查而不会相互干扰。

这种标志位技术在系统编程、硬件接口和需要高效表示多个选项的场景中非常常见。

三、文件描述符(File Descriptor)（先大概了解）

        在Unix/Linux系统中，所有I/O操作都是通过文件描述符完成的。文件描述符是一个非负整数，用于标识打开的文件。系统为每个进程维护一个文件描述符表。

三个标准的文件描述符：

  • 0: 标准输入(stdin)

  • 1: 标准输出(stdout)

  • 2: 标准错误(stderr)

四、接口介绍：open()函数

    open()函数是Linux/Unix系统中用于打开或创建文件的核心系统调用之一，它是文件操作的基础。

1、命令查看

man 2 open

2、头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

3、函数原型

系统接口中使用open函数打开文件，open函数的函数原型如下：

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

4、参数说明

1. open的第一个参数pathname

        open函数的第一个参数是pathname，表示要打开或创建的文件路径名，可以是相对路径或绝对路径。

  • 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. open的第二个参数

        open函数的第二个参数是flags（文件打开方式标志位），表示打开文件的标志，控制文件的打开方式和行为。flags参数由以下一个或多个值通过位或(|)操作组合而成。

        例如，若想以只写的方式打开文件，但当目标文件不存在时自动创建文件，则第二个参数设置如下：

O_WRONLY | O_CREAT
1. 必需标志（必须指定且只能指定一个）
标志说明
O_RDONLY以只读方式打开文件
O_WRONLY以只写方式打开文件
O_RDWR以读写方式打开文件
2. 可选标志（可组合使用）
标志说明
O_CREAT如果文件不存在，则创建它（需配合 mode 参数设置权限）
O_EXCL与 O_CREAT 一起使用，确保文件不存在时才创建（用于原子性创建文件）
O_TRUNC如果文件已存在且是普通文件，则截断为0字节（清空文件）
O_APPEND追加模式，每次写入都会自动追加到文件末尾（避免并发写入冲突）
O_NONBLOCK / O_NDELAY非阻塞模式打开文件（适用于 FIFO、管道、设备文件等）
O_SYNC同步 I/O，每次写操作都会等待数据真正写入物理存储（性能较低，但数据更安全）
O_NOFOLLOW如果路径是符号链接，则不跟随（防止符号链接攻击）
O_DIRECTORY如果路径不是目录，则打开失败（确保只打开目录）
O_CLOEXEC设置 close-on-exec 标志，exec 时自动关闭文件描述符（防止子进程继承）

补充说明

  • 必需标志（O_RDONLY / O_WRONLY / O_RDWR）必须选且仅选一个。

  • 可选标志可以通过 |（按位或）组合使用，例如：

    int fd = open("file.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);

  • O_EXCL 必须与 O_CREAT 一起使用，否则无意义。

  • O_TRUNC 仅对普通文件有效，对目录、设备文件等无效。

  • O_APPEND 在多进程/多线程写入时能避免竞争条件（Race Condition）。

  • O_SYNC 会影响性能，但能确保数据持久化（适用于关键数据存储）。

扩展：

        系统接口open的第二个参数flags是整型，有32比特位，若将一个比特位作为一个标志位，则理论上flags可以传递32种不同的标志位。

实际上传入flags的每一个选项在系统当中都是以宏的方式进行定义的：

例如，O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR和O_CREAT在系统当中的宏定义如下：

#define O_RDONLY         00
#define O_WRONLY         01
#define O_RDWR           02
#define O_CREAT        0100

        这些宏定义选项的二进制编码具有一个共同特征：每个选项的二进制序列中仅有一位为1（O_RDONLY选项除外，其二进制值为全0，表示默认选项）。不同选项的置1位各不相同，这使得open函数内部可以通过简单的"与"运算来检测特定选项是否被设置。

int open(arg1, arg2, arg3)
{if (arg2&O_RDONLY)//检查是否设置了O_RDONLY选项{}if (arg2&O_WRONLY)//检查是否设置了O_WRONLY选项{}if (arg2&O_RDWR)//检查是否设置了O_RDWR选项{}if (arg2&O_CREAT)//检查是否设置了O_CREAT选项{}//...
}

3. open的第三个参数

        在 Unix/Linux 系统调用中，mode_t 是一个数据类型，用于表示文件的权限模式（permission mode）。它通常是一个无符号整数类型（如 unsigned int），用于指定文件的访问权限。

        当使用O_CREAT创建新文件时，必须指定mode参数，表示新文件的权限。mode通常用八进制表示，如0644。

例如，设置mode=0666会赋予文件-rw-rw-rw-的权限。

        需要注意的是，实际文件权限会受到umask（文件创建掩码）的影响。计算公式为：实际权限 = mode & (~umask)。在默认umask=0002的情况下，当mode=0666时，实际创建的权限为0664（即-rw-rw-r--）。

若要完全按照mode参数设置权限，可以在创建文件前调用umask(0)将掩码清零。

umask(0); //将文件默认掩码设置为0

注意： 当不需要创建文件时，open的第三个参数可以不必设置。 

    open() 函数在创建文件（使用 O_CREAT 标志）时，需要指定文件的权限模式 mode_t。这个参数决定了文件的读、写、执行权限，以及特殊权限位（如 setuid、setgid 等）。

基本权限位

mode_t 由多个权限位组合而成，可以使用八进制数或宏定义来设置：

宏定义八进制值权限说明
S_IRUSR0400用户（owner）可读
S_IWUSR0200用户可写
S_IXUSR0100用户可执行
S_IRGRP0040组（group）可读
S_IWGRP0020组可写
S_IXGRP0010组可执行
S_IROTH0004其他用户（others）可读
S_IWOTH0002其他用户可写
S_IXOTH0001其他用户可执行
特殊权限位
宏定义八进制值权限说明
S_ISUID04000设置用户ID（setuid）
S_ISGID02000设置组ID（setgid）
S_ISVTX01000粘滞位（sticky bit）
如何使用 mode_t？
1. 直接使用八进制数

最常见的用法是直接使用 3位八进制数 来设置权限：

int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);

  • 0644 表示：

    • 用户（owner）：6（4+2，即 rw-）

    • 组（group）：4（r--）

    • 其他用户（others）：4（r--）

2. 使用宏定义组合

也可以使用宏定义组合：

int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_WRONLY, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH);

  • 等同于 0644（rw-r--r--）

3. 设置特殊权限

例如，设置 setuid 权限（仅对可执行文件有效）：

int fd = open("program", O_CREAT | O_WRONLY, S_IRWXU | S_ISUID);

  • S_IRWXU = 0700（rwx------）

  • S_ISUID = 04000（设置 setuid 位）

  • 最终权限：4700（rws------）

mode_t 的实际影响

  • open() 的 mode 参数仅在 O_CREAT 时生效（如果文件已存在，则不会修改权限）。

  • 最终权限会受到 umask 的影响：

    mode_t final_mode = mode & ~umask;

    例如，如果 umask=002，而 mode=0666，则实际权限是 0664（rw-rw-r--）。

5、返回值

open函数的返回值是新打开文件的文件描述符。

  • 成功：成功时返回一个非负整数文件描述符。
  • 失败：失败时返回-1并设置errno。

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>
int main()
{umask(0);int fd1 = open("log1.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);int fd2 = open("log2.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);int fd3 = open("log3.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);int fd4 = open("log4.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);int fd5 = 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);return 0;
}

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>
int main()
{int fd = open("test.txt", O_RDONLY);printf("%d\n", fd);return 0;
}

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： 

        文件描述符本质上是一个指针数组的索引，该数组中的每个指针都指向一个已打开文件的文件信息。通过文件描述符即可访问对应的文件信息。

        当open函数成功打开文件时，系统会扩展指针数组并返回新增指针的索引值；若打开失败则直接返回-1。因此，连续成功打开多个文件时，获得的文件描述符是依次递增的。

        Linux进程默认打开三个标准文件描述符：0（标准输入）、1（标准输出）和2（标准错误）。这就是新打开文件时，文件描述符从3开始分配的原因。

open 函数的具体使用方式取决于应用场景：

  • 若目标文件不存在，需要创建新文件，则使用带三个参数的 open（第三个参数表示创建文件的默认权限）
  • 若文件已存在，则使用带两个参数的 open

五、接口介绍：close()函数

close()函数是Linux/Unix系统中用于关闭已打开文件描述符的重要系统调用。

1、函数原型

#include <unistd.h>int close(int fd);

2、参数说明

fd（文件描述符）：

        要关闭的文件描述符（file descriptor），这是之前通过open()、creat()、pipe()、dup()等函数获得的文件描述符。

3、返回值

  • 成功时返回0

  • 失败时返回-1，并设置errno来指示错误原因

4、常见错误码(errno)

  • EBADF：fd不是有效的已打开文件描述符

  • EINTR：close操作被信号中断

  • EIO：发生了I/O错误

5、基本用法

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open failed");return 1;}// 使用文件描述符进行读写操作...if (close(fd) == -1) {perror("close failed");return 1;}return 0;
}

6、深入理解close操作（了解）

  1. 资源释放：

    • 关闭文件描述符会释放内核为该文件分配的所有资源

    • 释放文件描述符本身，使其可被后续的open()或pipe()等调用重用

  2. 缓冲区刷新：

    • 对于输出文件，close操作会确保所有缓冲数据被写入磁盘

    • 对于使用mmap()映射的文件，close操作不会解除映射，但关闭后访问映射内存可能导致SIGBUS信号

  3. 文件锁释放：

    • 进程终止时所有文件描述符会自动关闭

    • 关闭文件描述符会释放该进程在该文件上设置的所有锁（使用fcntl()设置的锁）

7、注意事项（了解）

  1. 多次关闭：

    • 重复关闭同一个文件描述符是错误行为

    • 在多线程环境中尤其需要注意，可能引发竞态条件

  2. 信号中断处理：

    • 如果close()被信号中断，某些系统上需要重新调用close()

    • 更安全的做法是使用以下模式：

      while (close(fd) == -1) {if (errno != EINTR) {perror("close error");break;}// 如果是被信号中断，则继续尝试关闭
}

  3. 文件描述符泄漏：

    • 忘记关闭文件描述符是常见编程错误

    • 长期运行的进程可能导致文件描述符耗尽

    • 建议在打开文件后立即考虑关闭操作，使用goto或RAII模式管理资源。

六、接口介绍：write()函数

    write() 是Linux/Unix系统中一个非常重要的低级文件I/O函数，用于将数据写入文件描述符对应的文件或设备。

1. write函数原型

#include <unistd.h>ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

2. 参数说明

  • fd：文件描述符，通常由open()函数返回

  • buf：指向要写入数据的缓冲区的指针

  • count：要写入的字节数

3. 返回值

  • 成功时：返回实际写入的字节数（可能小于请求的count）

  • 失败时：返回-1，并设置errno

4、对文件进行写入操作示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}const char* msg = "hello syscall\n";for (int i = 0; i < 5; i++){write(fd, msg, strlen(msg));}close(fd);return 0;
}

运行程序后，在当前路径下就会生成对应文件，文件当中就是我们写入的内容：

5. write函数的特点和注意事项

1. 部分写入

write()可能会执行部分写入，即返回值小于请求的字节数。这种情况常见于：

  • 磁盘空间不足

  • 被信号中断

  • 非阻塞模式下资源暂时不可用

2. 阻塞与非阻塞

  • 常规文件通常不会阻塞

  • 管道、套接字等特殊文件可能阻塞

  • 可以设置O_NONBLOCK标志使操作非阻塞

3. 原子性

对于常规文件，小于PIPE_BUF大小的写入是原子的（通常为4096字节）

4. 文件位置指针

write()操作会更新文件的当前位置指针

七、接口介绍：read()函数

    read() 函数是Linux/Unix系统中用于从文件描述符读取数据的基本系统调用之一。它是文件I/O操作的核心函数之一，属于POSIX标准的一部分。

1、函数原型

#include <unistd.h>ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

2、参数说明

  1. fd (file descriptor)：文件描述符，是一个整数值，指向要读取的文件

    • 通常由open()函数返回

    • 标准输入的文件描述符是0

  2. buf：指向内存缓冲区的指针，用于存放读取到的数据。必须预先分配足够的内存空间

  3. count：请求读取的字节数。通常是缓冲区的大小

3、返回值

  • 成功时：返回实际读取的字节数

    • 可能小于请求的字节数（例如接近文件末尾时）

    • 返回0表示到达文件末尾(EOF)

  • 失败时：返回-1，并设置errno

    • 常见的errno值：

      • EAGAIN/EWOULDBLOCK：非阻塞I/O且无数据可读

      • EBADF：无效的文件描述符

      • EINTR：被信号中断

      • EIO：I/O错误

4、对文件进行读取操作示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{int fd = open("log.txt", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");return 1;}char ch;while (1){ssize_t s = 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);return 0;
}

运行程序后，就会将我们刚才写入文件的内容读取出来，并打印在显示器上：

八、系统调用和库函数

        总的来说，我们更加能明白开始时提到的“实际上，各种语言的库函数都是对系统接口的封装实现。”这句话！！！

在了解返回值之前，需要明确两个重要概念：系统调用和库函数

  • fopen、fclose、fread、fwrite这些是C标准库提供的函数，称为库函数(libc)
  • 而open、close、read、write、lseek等则是操作系统直接提供的接口，称为系统调用
  • 这与我们之前讲解操作系统概念时展示的系统架构图是一致的

        系统调用接口与库函数的关系十分清晰。可以明确地说，f#系列函数是对系统调用的封装，为二次开发提供了便利。

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一、需求背景 在实际工作中&#xff0c;我们经常需要将多个Word文档合并成一个文件。但当文档中包含批注&#xff08;Comments&#xff09;时&#xff0c;传统的复制粘贴会导致批注丢失或引用错乱。本文将介绍如何通过Java和Apache POI库实现保留批注及引用关系的文档合并功能。…
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Linux的服务管理工具:`systemd`(`systemctl`)和`SysVinit ` 笔记250718

Linux的服务管理工具:`systemd`(`systemctl`)和`SysVinit ` 笔记250718

Linux的服务管理工具:systemd(systemctl)和SysVinit 笔记250718 Linux的服务管理工具 Linux 的服务管理工具随着发行版和初始化系统的发展而演变。以下是主要的服务管理工具及其对应的初始化系统&#xff1a; 1. systemd (现代主流标准) 初始化系统&#xff1a; 是绝大多数…
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Couchbase 可观测性最佳实践

Couchbase 可观测性最佳实践

Couchbase 介绍 Couchbase 是一个开源的分布式 NoSQL 数据库&#xff0c;专为高性能和高可扩展性设计&#xff0c;适用于实时数据处理的企业应用。它结合键值存储和文档数据库的优势&#xff0c;支持 JSON 文档存储&#xff0c;并通过 N1QL&#xff08;类 SQL 查询语言&#x…
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构建基于MCP的LLM聊天机器人客户端开发指南

构建基于MCP的LLM聊天机器人客户端开发指南

引言 在当今人工智能技术快速发展的时代&#xff0c;大型语言模型(LLM)已成为构建智能应用的核心组件。MCP(Modular Conversational Platform)作为一个强大的对话平台&#xff0c;为开发者提供了将LLM能力与自定义工具集成的标准化方式。本文将详细介绍如何使用Python开发一个…
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接口测试的原则、用例与流程详解

接口测试的原则、用例与流程详解

&#x1f345; 点击文末小卡片&#xff0c;免费获取软件测试全套资料&#xff0c;资料在手&#xff0c;涨薪更快 一、接口的介绍软件测试中&#xff0c;常说的接口有两种&#xff1a;图形用户接口&#xff08;GUI&#xff0c;人与程序的接口&#xff09;、应用程序编程接口&am…
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ubuntu 22.02 带外进单用户拯救系统

ubuntu 22.02 带外进单用户拯救系统

不停地按 F7 &#xff0c;然后进到 menu &#xff0c;选择 ubuntu &#xff0c;然后按下 ESC &#xff0c;然后瞬间会刷一个 ubuntu 的选项&#xff08;默认是在第一的位置&#xff0c;直接快速按下 e&#xff09;即可进入单用户模式。 找到类似 linux /boot/vmlinuz-xxx rootU…
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