系统调用-write

Linux 系统调用 `write` 深度解析：向内核提交数据的统一接口

在 Linux 应用开发中，write 是最基础、最重要的系统调用之一。无论是向终端输出文本、写日志文件、向串口发送字节、对 I2C/SPI 设备写寄存器，还是通过 socket 发送网络数据，都依赖 write。因此，理解 write 的工作机制，有助于全面掌握 Linux 的统一 I/O 体系。

1. `write` 的函数原型

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数说明如下：

参数	类型	说明
`fd`	int	文件描述符，由 `open`、`socket` 等函数返回
`buf`	void*	用户空间待写入的数据缓存区域
`count`	size_t	请求写入的字节数

返回值：

成功：实际写入的字节数（可能小于 count）
失败：返回 -1，并设置 errno

2. `write` 的核心作用

调用 write 并不意味着直接把数据写入磁盘或设备，而是：

将用户态数据复制到内核态，再由对应的文件对象（file object）进行处理。

不同类型的文件对象（普通文件、设备文件、socket、管道等）对写入数据的处理方式完全不同。例如：

普通文件 → 写入页缓存（page cache）
终端 → 输出到终端驱动
串口 /dev/ttyS1 → 经 UART 驱动发送字节
I2C /dev/i2c-1 → 驱动将数据封装成 I2C 传输
Socket → 进入网络协议栈
管道/FIFO → 写入内核缓冲区

由此可见，write 是 Linux I/O 抽象的统一入口。

3. 示例：向文件写入内容

以下示例展示如何向普通文件写数据：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return -1;
    }

    const char *msg = "Hello Linux write!\n";
    ssize_t n = write(fd, msg, strlen(msg));
    if (n < 0) {
        perror("write");
        return -1;
    }

    printf("write %zd bytes\n", n);
    close(fd);
    return 0;
}

4. 为什么实际写入字节可能少于 `count`？

write 的返回值不一定等于预期写入字节数，可能的原因包括：

● 被信号中断（EINTR）

写入尚未完成便被打断。

● 文件系统空间不足

导致部分写入失败。

● 写入 socket 或管道

缓冲区已满，只能写入部分数据。

● 写入设备文件

设备驱动自身可能只接收固定大小的数据包。

因此，对关键写操作通常需要循环调用 write：

ssize_t total = 0;
while (total < len) {
    ssize_t n = write(fd, buf + total, len - total);
    if (n <= 0) {
        if (errno == EINTR) continue;
        perror("write");
        break;
    }
    total += n;
}

5. 内核执行流程简述

一次完整的 write 调用通常包含以下步骤：

用户态 buffer
    ↓ copy_from_user()
内核态临时 buffer
    ↓
file 对象的 file_operations->write() 回调
    ↓
文件系统 / 设备驱动 / 网络协议栈
    ↓
最终输出到存储介质或硬件设备

该流程说明：

写文件通常并非实时落盘，而是先进入 page cache
对设备文件的写入行为由驱动完全决定
对网络 socket 的写入将由协议栈处理

6. 与嵌入式系统的类比

在嵌入式开发中通常会看到类似：

uart_write();
i2c_write();
flash_write();

而在 Linux 中，上述操作全部统一抽象为：

write(fd, buf, len);

驱动开发者只需实现：

ssize_t mydriver_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count);

即可通过设备节点提供标准的写接口。

7. 常见错误与排查方法

● 权限错误（EACCES）

检查：

ls -l <file>

必要时使用 chmod 或 sudo。

● 写入设备失败

常见原因：

设备未初始化
驱动返回 -EIO
设备忙（EBUSY）
缓冲区溢出

建议利用 strace 观察行为：

strace -e write ./program

● 写入 `/dev/video0` 无效

V4L2 大部分操作依赖 ioctl 而非 write，属于正常情况。

8. 示例：向串口写数据

int fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR | O_NOCTTY);
char buf[] = "AT\r\n";
write(fd, buf, sizeof(buf));

9. 示例：向 socket 写数据

write(sockfd, "hello", 5);

此时数据将由 TCP/UDP 协议栈处理。

10. 小结

write 是 Linux I/O 框架中的核心系统调用。其主要特点包括：

提供向文件对象提交数据的统一接口
实际写入行为由文件系统或驱动决定
返回值可能小于请求写入字节数
对普通文件而言通常会先写入 cache
对设备文件和 socket 而言具有完全不同的语义

理解 write，能够为进一步掌握 Linux 关于设备驱动、文件系统、网络编程等领域打下坚实基础。

posted @ 2025-12-10 17:28 seekwhale13 阅读(0) 评论(0) 收藏举报

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