Linux文件I/O思维导图

Linux文件I/O知识结构树

Linux文件I/O知识结构树

Linux文件I/O

核心概念

文件描述符（fd）：非负整数，内核标识打开文件的索引

分配规则：从最小未使用fd开始（0/1/2默认对应stdin/stdout/stderr）

常用操作：dup/dup2（复制fd）、fcntl（修改fd属性）

系统调用vs标准I/O库

系统调用：直接与内核交互（open/read/write），无缓冲，效率高

标准I/O：库函数封装（fopen/fread），带用户态缓冲，便携性好

文件类型：普通文件/目录/设备文件/管道/套接字等

核心系统调用

打开/创建文件：open()/creat()

参数：pathname（路径）、flags（标志）、mode（权限，八进制）

返回值：成功返回fd，失败返回-1（errno记录错误）

标志分类（<fcntl.h>）

访问模式标志（必选，三选一）

O_RDONLY：只读

O_WRONLY：只写

O_RDWR：读写

创建标志（可选）

O_CREAT：文件不存在则创建（需配合mode）

O_EXCL：与O_CREAT联用，文件存在则报错（避免竞态）

O_TRUNC：文件存在则截断为0（只写/读写模式有效）

O_DIRECTORY：pathname非目录则报错

O_NOATIME：读取时不更新文件访问时间（需特权）

O_LARGEFILE：支持大文件（>2GB，64位偏移）

状态标志（可选）

O_APPEND：写操作始终追加到文件末尾

O_NONBLOCK：非阻塞模式（操作无数据时不阻塞）

O_CLOEXEC：exec时自动关闭fd（避免文件泄露）

O_SYNC：写操作等待数据+元数据刷到磁盘（同步I/O）

O_DSYNC：写操作仅等待数据刷到磁盘

O_ASYNC：I/O事件异步通知（需结合信号/epoll）

O_DIRECT：直接I/O（绕开内核页缓存，需内存对齐）

读取文件：read()

参数：fd、buf（数据缓冲区）、count（请求读取字节数）

返回值：成功返回实际读取字节数，0表示EOF，-1表示失败

注意：非阻塞模式下可能返回EAGAIN/EWOULDBLOCK

写入文件：write()

参数：fd、buf（待写入数据）、count（请求写入字节数）

返回值：成功返回实际写入字节数，-1表示失败

注意：O_APPEND会强制将文件偏移量移到末尾再写

关闭文件：close()

参数：fd

返回值：成功0，失败-1（如fd已关闭）

注意：关闭后fd失效，内核释放文件相关资源

文件偏移：lseek()

参数：fd、offset（偏移量）、whence（基准：SEEK_SET/SEEK_CUR/SEEK_END）

返回值：成功返回新偏移量，失败-1

用途：移动读写指针，支持空洞文件创建

辅助操作

文件属性：stat()/fstat()/lstat()（获取inode信息）

同步刷盘：fsync()（数据+元数据）/fdatasync()（仅数据）/sync()（全局刷盘）

文件权限：chmod()/fchmod()（修改权限）

文件所有权：chown()/fchown()（修改属主/属组）

高级I/O

非阻塞I/O：结合O_NONBLOCK+轮询/事件驱动

异步I/O：AIO（libaio）/epoll+ET模式

分散/聚集I/O：readv()/writev()（多缓冲区读写）

内存映射I/O：mmap()（将文件映射到进程地址空间）

错误处理

errno：全局变量，记录最近系统调用的错误码

错误解析：perror()（打印错误描述）/strerror()（获取错误字符串）

常见错误：EINTR（被信号中断）、EAGAIN（非阻塞无数据）、EBADF（无效fd）

关键代码示例：

// 打开文件示例
int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
if (fd == -1) {
  perror("open");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 读取文件示例
char buffer[1024];
ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
if (bytes_read == -1) {
  perror("read");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 写入文件示例
const char *data = "Hello, World!";
ssize_t bytes_written = write(fd, data, strlen(data));
if (bytes_written == -1) {
  perror("write");
  exit(EXIT_FAILURE);
}