【Linux系统】从 C 语言文件操作到系统调用的核心原理

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) // 8

void 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0000
    int 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。