Linux 文件操作详解

1. 引言

在 Linux 系统中，文件 I/O 是操作系统最基础的功能之一。程序与文件交互的方式主要有两种：文件 I/O 和 标准 I/O。这两种方式各有特点，理解它们的区别对于高效编程至关重要。

1.1 文件 I/O

文件 I/O 是一种不带缓存的操作方式。每次调用 read 或 write 时，都直接执行系统调用，操作速度非常快。这种方式不适合大量数据处理，因为频繁的系统调用会增加开销。

1.2 标准 I/O

标准 I/O 是 ANSI C 标准库中的实现，带有缓存机制。库函数如 fopen、fclose 等会在需要时执行实际的文件操作，减少了系统调用的频率。适用于大部分常规文件操作。

2. 文件描述符

文件描述符是内核用来标识打开文件的关键结构。每个进程打开的文件都有一个唯一的描述符（非负整数）。以下是文件描述符的重要性和用法：

2.1 文件描述符的作用

唯一标识：文件描述符唯一确定一个文件或设备。

共享机制：多个进程可以共享同一个文件描述符，共享文件状态和当前位置。

2.2 标准输入、输出和错误

文件描述符的常用值：

0：标准输入

1：标准输出

2：标准错误输出

这些值是 POSIX 标准定义的，通常由 <unistd.h> 中的宏定义表示。

3. 文件 I/O 相关系统调用

文件 I/O 的核心操作包括 open、close、read、write 和 lseek。这些函数直接与内核交互，适合需要低延迟和高效率的场景。

3.1 open 函数

open 函数用于打开或创建文件，返回文件描述符。函数参数包括文件路径和操作模式。常见模式选项有：

O_RDONLY：只读模式

O_WRONLY：只写模式

O_RDWR：读写模式

O_CREAT：创建文件

O_TRUNC：截断文件

O_APPEND：追加模式

3.2 read 和 write 函数

read 从文件中读取数据，返回读取的字节数。

write 向文件中写入数据，返回写入的字节数。

读写操作会更新文件描述符的当前位置。

3.3 lseek 函数

lseek 用于定位文件的当前位置，支持三种定位方式：

SEEK_SET：从文件开始位置

SEEK_CUR：从当前位置

SEEK_END：从文件末尾

3.4 文件空洞与稀疏文件

Linux 支持文件空洞（空文件中存在逻辑空隙），通过 lseek 定位到空洞位置后写入数据，中间的空洞部分读取时会返回 0。

4. 原子操作

为了保证文件操作的原子性，Linux 提供了 pread 和 pwrite 函数。这些函数确保在定位和读写操作期间，其他进程无法干扰，避免数据竞争。

5. dup 和 dup2 函数

dup 和 dup2 用于复制文件描述符。dup 返回当前可用最小的描述符，而 dup2 允许指定特定描述符，可能需要先关闭目标描述符。

5.1 dup 示例

int main() {    int fd = open("file.txt", O_RDWR);    int new_fd = dup(fd);    close(fd);    // new_fd 继续使用原文件}

5.2 dup2 示例

int main() {    int fd = open("file.txt", O_RDWR);    int new_fd = dup2(fd, 5);    close(5);    // new_fd 和 5 都指向同一文件}

6. fcntl 函数

fcntl 用于改变文件描述符的属性，包括文件状态标志和锁设置。常见用途包括设置非阻塞模式和获取文件状态。

6.1 例子

int main() {    int flags;    if (fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL) == -1) {        perror("fcntl F_GETFL");        exit(1);    }    flags |= O_NONBLOCK;    if (fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags) == -1) {        perror("fcntl F_SETFL");        exit(1);    }    // 现在 STDIN_FILENO 是非阻塞的}

7. /dev/fd 目录

/dev/fd 提供了对标准输入、输出和错误的便捷访问。通过 /dev/fd/0 等路径，可以复制现有的文件描述符，避免了命令行特殊处理。

8. 统计目录文件数

通过 readdir 和 lstat 函数，可以遍历目录并统计普通文件数量。递归处理子目录，并排除 . 和 ..。

int count(char *root) {    DIR *dp = opendir(root);    if (dp == NULL) {        perror("opendir");        exit(1);    }    int n = 0;    while ((struct dirent *item = readdir(dp)) != NULL) {        if (strcmp(item->d_name, ".") == 0 || strcmp(item->d_name, "..") == 0) {            continue;        }        struct stat statbuf;        if (lstat(item->d_name, &statbuf) == -1) {            perror("lstat");            exit(1);        }        if (S_ISREG(statbuf.st_mode)) {            n++;        } else if (S_ISDIR(statbuf.st_mode)) {            n += count(item->d_name);        }    }    closedir(dp);    return n;}