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【Linux系统】从 C 语言文件操作到系统调用的核心原理

news 来源：原创 2025/6/27 8:51:52

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文章目录

  • 前言
  • lesson 15_基础IO
    • 一、共识原理
    • 二、回顾C语言接口
      • 2.1 文件的打开操作
      • 2.2 文件的读取与写入操作
      • 2.3 三个标准输入输出流
    • 三、过渡到系统，认识文件系统调用
      • 3.1 `open` 系统调用
        • 1. 比特位标志位示例
      • 3.2 `write` 系统调用
        • 1. 模拟实现 `w` 选项
        • 2. 模拟实现 `a` 选项
      • 3.3 `read` 系统调用
    • 四、访问文件的本质
  • 结语

前言

本文将从文件的基本概念出发，先回顾 C 语言中文件操作的常用接口，再逐步过渡到 Linux 系统调用，解析文件描述符、文件打开对象、进程与文件的关系等关键概念。通过代码示例和原理分析，带你揭开 Linux 基础 IO 的神秘面纱，理解操作系统如何管理文件、进程如何与文件交互的底层逻辑。

lesson 15_基础IO

一、共识原理

  • 文件 = 内容 + 属性。

  • 文件分为 打开的文件 和 没打开的文件。

  • 打开的文件：谁打开的？进程！—— 本质是研究进程和文件的关系。

  • 没打开的文件：在哪里放着呢？在磁盘上。我们最关注的问题？没有被打开的文件非常多，文件如何被分门别类的放置好（如何存储） —— 我们要快速的进行增删查改 —— 快速找到文件。

  • 文件被打开，必须先被加载到内存！

  • 进程：打开的文件 = 1：n。

小结：操作系统内部，一定存在大量的别打开的文件！—— OS 要不要管理这些被打开的文件呢？ —— 怎么管理？？？—— 先描述，在组织。—— 在内核中，一个被打开的文件都必须有自己的文件打开对象，包含文件的很多属性。struct XXX{文件属性；struct XXX *next};

二、回顾C语言接口

2.1 文件的打开操作

  • fopen 函数用于打开文件，格式为

    • FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

    • path: 文件路径或文件名。如果只有文件名，操作系统会在当前工作目录（cwd）下查找该文件。

    • mode: 文件打开模式。常见模式有：

      • w: 如果文件已存在，先清空文件再写入。如果文件不存在，创建新文件。
      • a: 以追加模式打开文件，在文件末尾添加内容。

  • 当前路径 (cwd): 每个进程维护一个当前工作目录，操作系统会根据该目录来查找文件。如果路径没有指定，fopen 会使用进程的当前工作路径。

  • 2.2 文件的读取与写入操作

    • fwrite 用于向文件写入数据。其函数声明为：

      size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
      • ptr: 指向要写入数据的指针。
      • size: 每个写入对象的大小。
      • nmemb: 要写入的对象个数。
      • stream:文件流指针

    • 举例使用：

      int main()
{FILE *fp = fopen("log.txt", "w");if (fp == NULL){perror("fopen");return errno;}char* str = "Hello Linux!";fwrite(str, strlen(str), 1, fp);fclose(fp);return 0;
}

      • fwrite的第二个参数是指每个写入对象的大小，strlen函数返回的值是不包含字符串结束标识符，那么我们传参是加一还是不加一呢？加一就代表把\0写入到文件中，那么我们是应该怎么选择呢？这里不妨试一试加一的结果：

        注意 log.txt 文件中，字符串的末尾有一个^@，是什么意思呢？实际上这个字符组合是表示\0的ASCII码，所以写入字符串时，使用 strlen 计算字符串长度时，不包括结束符 \0。通常不需要将 \0 写入文件，因为它是 C 语言中的结束标志，而在其它语言中读取文件时，可能不希望看到这些无关的字符。

    2.3 三个标准输入输出流

    C 程序启动时，会自动打开以下三个标准流：

    • stdin: 标准输入流（通常与键盘连接）。
    • stdout: 标准输出流（通常与显示器连接）。
    • stderr: 标准错误流（通常与显示器连接）。

    这三个流都由操作系统和 C 标准库提供，并用于处理程序与外部交互的基本输入输出。

三、过渡到系统，认识文件系统调用

文件其实是在磁盘上的，磁盘是外部设备，访问磁盘文件其实是访问硬件！几乎所有的库只要是访问硬件设备，必定要封装系统调用。

3.1 open 系统调用

open 是一个用于打开文件或创建文件的系统调用，其原型为：

#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);
  • 参数说明：
    • pathname: 文件路径。
    • flags: 打开文件时的标志，例如：
      • O_RDONLY：只读打开。
      • O_WRONLY：只写打开。
      • O_RDWR：读写打开。
      • O_CREAT：文件不存在时创建文件。
      • O_TRUNC：打开文件时清空文件内容。
      • O_APPEND：以追加模式打开文件。
    • mode: 在使用 O_CREAT 时，需要指定新文件的访问权限。
  • 返回值：成功返回文件描述符，失败返回 -1。
1. 比特位标志位示例

通过按位或（|）传递多个标志位，可以在同一次调用中同时指定多个选项。

代码示例：

#define ONE (1<<0) // 1
#define TWO (1<<1) // 2
#define FOUR (1<<2) // 4
#define EIGHT (1<<3) // 8void show(int flags)
{if(flags & ONE) printf("function1\n");if(flags & TWO) printf("function2\n");if(flags & FOUR) printf("function3\n");if(flags & EIGHT) printf("function4\n");return;
}int main()
{printf("--------------------------------------\n");show(ONE);printf("--------------------------------------\n");show(ONE | TWO);printf("--------------------------------------\n");show(ONE | TWO | FOUR );printf("--------------------------------------\n");show(ONE | TWO | FOUR | EIGHT);printf("--------------------------------------\n");return 0;
}

输出示例：

3.2 write 系统调用

write 用于将数据写入文件，其原型为：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • 参数说明：
    • fd: 文件描述符。
    • buf: 指向数据缓冲区的指针。
    • count: 要写入的数据字节数。
  • 返回值：实际写入的字节数。
1. 模拟实现 w 选项

模拟 fopen 的 w 模式（清空文件后写入）：

int main()
{umask(0); // 将权限掩码设置成0000int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); if(fd < 0){printf("open file error\n");return 1;}const char* str = "bbb";ssize_t ret = write(fd, str, strlen(str));close(fd);return 0;
}
2. 模拟实现 a 选项

模拟 fopen 的 a 模式（追加写）：

int main()
{umask(0); int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); if(fd < 0){printf("open file error\n");return errno;}const char* str = "bbb";ssize_t ret = write(fd, str, strlen(str));close(fd);return 0;
}

3.3 read 系统调用

read 用于从文件中读取数据，其原型为：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • 参数说明：
    • fd: 文件描述符。
    • buf: 存储读取数据的缓冲区。
    • count: 缓冲区的大小。
  • 返回值：实际读取的字节数。

四、访问文件的本质

  1. struct file 结构体的作用
  • 当文件被打开时，操作系统为该文件创建一个 struct file 结构体对象，负责管理该文件的元数据和访问信息。
  • 操作系统对文件的管理本质上就是对这些 struct file 结构体对象的管理，它们被组织成一个双链表，保存所有当前打开的文件。
  1. 文件描述符表（files_struct）
  • 每个进程都有一个 struct files_struct 类型的对象，它记录了该进程所打开的所有文件的信息。
  • struct files_struct 中有一个文件描述符表，维护了一个 struct file* 类型的数组。数组的下标就是文件描述符，指向进程打开的文件的 struct file 结构体对象。
  1. 文件描述符的分配规则
  • 操作系统会为进程打开的新文件分配一个文件描述符，分配从 3 开始（因为标准输入、输出、错误流占用文件描述符 0、1、2）。
  • 新打开的文件将从进程的文件描述符表中找到最小的未使用下标，作为文件描述符。
  1. FILE 类型在 C 语言中的作用

  • FILE 是 C 语言库中的封装类型，用于描述文件，它提供了更高层次的文件操作接口。

  • FILE 类型内部封装了文件描述符，_fileno 字段就是对应的文件描述符，可以通过它来访问底层的文件描述符。

    int main()
{umask(0); int fd1 = open("log1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); int fd2 = open("log2.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);int fd3 = open("log3.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);int fd4 = open("log4.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);printf("fd1: %d\n", fd1);printf("fd2: %d\n", fd2);printf("fd3: %d\n", fd3);printf("fd4: %d\n", fd4);return 0;
}
  1. 文件的引用计数与关闭
  • 文件可以被多个进程同时打开，struct file 中有一个 f_count 字段来记录文件的引用计数。
  • 当进程关闭文件时，close 系统调用会将文件描述符表中对应位置的内容置为 NULL，减少文件的引用计数。如果引用计数为 0，操作系统会回收该文件对应的资源。
  1. 标准输入、输出和错误流（文件描述符 0, 1, 2）

  • 操作系统会在程序启动时自动打开标准输入（文件描述符 0）、标准输出（文件描述符 1）和标准错误（文件描述符 2）。

  • 这三个文件描述符是预留的，程序中打开的新文件会从文件描述符 3 开始。

  1. 文件描述符的关闭与输出

  • 通过 close 系统调用关闭文件描述符后，进程无法再通过该文件描述符进行文件操作。例如，关闭标准输出（close(1)）会导致后续的 printf 输出无法显示，但其他流如标准错误仍然有效。

    int main()
{close(1); // 将 stdout 关闭int ret = printf("stdin->fd: %d\n", stdin->_fileno);printf("stdout->fd: %d\n", stdout->_fileno);printf("stderr->fd: %d\n", stderr->_fileno);fprintf(stderr, "printf ret: %d\n", ret);return 0;
}

结语

IO 操作是操作系统的 “血脉”，理解其底层原理不仅能帮助我们写出更健壮的代码，还能为深入学习进程通信、网络编程等高级主题奠定基础。希望本文能成为你探索 Linux 系统编程的一块基石，在后续的学习中，你可以尝试结合实际项目，对比不同 IO 接口的性能差异，或深入分析内核源码中的文件管理逻辑，进一步提升技术深度。

今天的分享到这里就结束啦！如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下，17的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是17前进的动力！

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编程日记 2025/6/26 1:14:17

React与Docker中的MySQL进行交互

完整结构 1. 项目结构设置 首先创建项目&#xff1a; npm create vitelatest . --template react cd . npm install2. 设置Docker中的MySQL 创建docker-compose.yml文件&#xff08;与之前相同&#xff09;&#xff1a; version: 3.8 services:mysql:image: mysql:8.0conta…...

编程日记 2025/6/25 21:39:34

量子隧穿：PROFINET到Ethernet ip的无损耗协议转换方案转

在本季度的生产工作中&#xff0c;我们成功实现了仓储物流自动化分拣系统中的关键技术突破。我们面临的主要挑战是将采用EtherNet/IP协议的输送带控制器与PROFINET协议的上位系统进行有效通信。通过引入ethernet IP转PROFINET网关倍讯科技BX-606-EIP&#xff0c;我们实现了输送…...

编程日记 2025/6/22 19:53:06

W1R3S: 1.0.1靶场

W1R3S: 1.0.1 来自 <W1R3S: 1.0.1 ~ VulnHub> 1&#xff0c;将两台虚拟机网络连接都改为NAT模式 2&#xff0c;攻击机上做namp局域网扫描发现靶机 nmap -sn 192.168.23.0/24 那么攻击机IP为192.168.23.182&#xff0c;靶场IP192.168.23.249 3&#xff0c;对靶机进行端口…...

编程日记 2025/6/21 18:31:25

pycharm中qthread中的run函数debug不上的问题

先说结论 在风和日丽的一天&#xff0c;我尝试把我mac上的代码拿到windows修改。突然遇到了个bug&#xff0c;然后想着对几个线程内部的run函数逐一debug。 结果一开线程&#xff0c;整个线程仍然继续报错&#xff0c;run函数的第一行都不停断点。甚至&#xff0c;我加了个pr…...

编程日记 2025/6/26 10:41:23

深度解析IP静态的工作原理，IP静态的应用场景又哪些？

一、什么是IP静态&#xff1f; 当我们谈到“IP静态”时&#xff0c;大家可能首先想到的是与“动态IP”相对的概念。确实如此&#xff0c;静态IP是一种固定分配的IP地址&#xff0c;也就是说&#xff0c;在特定时间内&#xff0c;分配给你的IP地址不会有所更改——无论你完成多…...

编程日记 2025/6/23 6:33:22

Electron 应用的升级机制详解

在产品分发给用户之后，进入迭代周期是不可避免的过程。开发者需要为产品增加新功能、修复Bug，并推出新版本。如何将这些更新有效地分发给用户，是产品经理和开发人员共同关注的问题。本节将从开发者的角度出发，详细介绍Electron应用的两种常见升级方式：全量升级与增量升级。…...

编程日记 2025/6/24 18:21:30

Java 开源报表系统全解析：免费工具、企业案例与集成实践

在企业级数据可视化与报表开发中&#xff0c;选择一款功能强大且完全免费的开源报表系统至关重要。本文深度剖析 5 款经过权威验证的免费开源 Java 报表工具&#xff0c;涵盖图表展示、定制化及第三方集成能力&#xff0c;附企业级案例与技术实践&#xff0c;助您高效选型。 一…...

编程日记 2025/6/21 15:37:59

[原创](现代Delphi 12指南):[macOS 64bit App开发]: 注意“回车换行“的跨平台使用.

[作者] 常用网名: 猪头三 出生日期: 1981.XX.XX 企鹅交流: 643439947 个人网站: 80x86汇编小站 编程生涯: 2001年~至今[共24年] 职业生涯: 22年 开发语言: C/C++、80x86ASM、Object Pascal、Objective-C、C#、R、Python、PHP、Perl、 开发工具: Visual Studio、Delphi、XCode、…...

编程日记 2025/6/25 4:00:35

分类预测 | Matlab实现ABC-Transformer人工蜂群算法优化编码器多特征分类预测/故障诊断Matlab实现

分类预测 | Matlab实现ABC-Transformer人工蜂群算法优化编码器多特征分类预测/故障诊断Matlab实现 目录 分类预测 | Matlab实现ABC-Transformer人工蜂群算法优化编码器多特征分类预测/故障诊断Matlab实现分类效果基本描述程序设计参考资料 分类效果 基本描述 1.Matlab实现ABC-…...

编程日记 2025/6/26 4:24:50

Java中的设计模式

一、工厂方法模式 1.1 简单工厂模式 1.1.1 案例引入 比方说我们要设计一个披萨店的点单程序&#xff0c;披萨店有水果披萨&#xff0c;有芝士披萨&#xff0c;两种类型&#xff0c;选择哪个披萨&#xff0c;只需要创建那个类型的披萨对象即可。 package org.example;import…...

编程日记 2025/6/23 21:41:20

NSSCTF [GFCTF 2021]where_is_shell

889.[GFCTF 2021]where_is_shell(system($0)64位) [GFCTF 2021]where_is_shell (1) 1.准备 motalymotaly-VMware-Virtual-Platform:~$ file shell shell: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.s…...

编程日记 2025/6/22 16:14:24

有关知名分析品牌默克Supelco®的前世今生

因在仪器设备和实验室产品方面的卓越贡献&#xff0c;Supelco品牌的创立者Nicholas Pelick与Walter Supina获颁2019年匹兹堡文化遗产奖&#xff08;2019 Heritage Award&#xff09;&#xff0c;入选匹兹堡名人堂&#xff08;Pittcon Hall of Fame&#xff09;。 目前&#xff…...

编程日记 2025/6/24 9:08:36