学习主题：Linux 文件 IO 系统调用，open/read/write/close/lseek，文件 IO 与标准 IO 对比、缓冲区、格式化输出系列函数

前言

今天告别 C 库的标准 IO，深入学习 Linux 内核提供的文件 IO 系统调用。这是嵌入式 Linux 开发非常核心的知识点，硬件设备操作、底层文件读写都会用到这套 API。系统调用直接和内核打交道，没有用户层缓冲区，和之前学的FILE*标准库接口有很大区别。

一、文件 IO 基础概念

文件 IO 是 Linux 内核提供的文件操作接口，属于系统调用。
核心学习接口分为四组：

1. 打开文件：open()
2. 读写文件：read()、write()
3. 关闭文件：close()
4. 文件定位：lseek()

1.1 open 函数

头文件

c #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>

函数原型

c int open(const char *pathname, int flags); int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

功能：打开一个文件，成功后获取一个文件描述符。

参数	说明
pathname	要打开的文件路径 + 文件名
flags	打开方式，多个可以位或组合
mode	新建文件时，设置文件操作权限（mode & ~umask）

flags 常用宏：

• O_RDONLY：只读

• O_WRONLY：只写

• O_RDWR：读写

• O_CREAT：文件不存在则创建

• O_TRUNC：清空原有文件内容

• O_APPEND：追加写入

注意：使用O_CREAT的时候，必须带上 mode 参数；普通文件常用权限0664，权限满为0777。

返回值

• 成功：返回文件描述符（非负整数）

• 失败：返回-1

1.2 文件描述符

打开文件时，操作系统会分配文件描述符用来标识该文件。

• 文件描述符：小的、非负整型数字

• 系统可分配总数量：0‑1023，一共 1024 个

• 分配原则：选取最小未被使用的数字

系统默认预先打开 3 个文件描述符：

fd 数值	宏名	含义
0	STDIN_FILENO	标准输入 stdin
1	STDOUT_FILENO	标准输出 stdout
2	STDERR_FILENO	标准错误 stderr

1.3 close 关闭文件

头文件

c #include <unistd.h>

原型

c int close(int fd);

功能：关闭已经打开的文件。
参数：fd，要关闭的文件描述符。
返回：成功返回 0；失败返回‑1。

⚠️重要提醒：打开的文件一定要 close，不关闭会造成文件描述符泄露，耗尽可用 fd，后续无法打开任何文件。

1.4 write 写文件

c #include <unistd.h> ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

功能：向打开的文件写入数据。

• fd：目标文件描述符

• buf：待写入数据的首地址

• count：想要写入的字节数量

返回值：成功返回实际写入字节数；失败返回‑1。

1.5 read 读文件

c #include <unistd.h> ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

功能：从文件读取数据。

• fd：文件描述符

• buf：存放读取内容的内存首地址

• count：期望读取的字节数

返回值：成功返回读到的字节数；失败返回‑1。1.6 lseek 文件定位函数

头文件

c #include <sys/types.h> #include <unistd.h>

原型

c off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

功能：重新修改文件读写指针的位置。

参数	解释
fd	文件描述符
offset	偏移量
whence	偏移的起始基准位置

whence 三个可选宏：

• SEEK_SET：文件开头

• SEEK_CUR：当前读写位置

• SEEK_END：文件末尾

返回值：成功返回当前位置距离文件开头的偏移字节；失败返回‑1。

二、文件 IO vs 标准 IO 对比

对比表格

对比项	标准 IO	文件 IO（系统调用）
操作对象	FILE* 文件流指针	fd 文件描述符
来源	C 库函数，可移植性强	Linux 系统调用，可移植弱
缓冲区	具备用户缓冲区，减少用户态内核态切换，提升效率	无用户缓冲区，实时性能好
主要场景	普通文件读写	普通文件、硬件相关设备文件

三种缓冲区详解

1. 行缓冲：默认大小：2048 字节（1K），多用于人机交互终端。刷新触发条件：遇到\n换行；程序结束；调用fflush()；缓冲区写满。
2. 全缓冲：默认大小：4096 字节（4K），多用于普通文件交互。刷新触发条件：程序结束；文件关闭；缓冲区写满；手动fflush()。
3. 无缓冲：大小 0K，典型代表：stderr标准错误，错误信息直接输出，不缓存。

三、格式化输出系列函数

c // 打印到标准输出 int printf(const char *format,...); // 输出到文件流FILE* int fprintf(FILE * stream, const char * format,...); // 输出到文件描述符fd int dprintf(int fd, const char * format,...); // 输出到内存字符数组，字符串拼接格式化 int sprintf(char *str, const char * format,...);

核心作用：

1. 将格式化后的字符串写入目标位置（终端、文件、内存数组）
2. 可以把整型、浮点型数据，转换为字符串，完成字符串拼接格式化。

四、今日学习小结

1. open/read/write/close/lseek 是 Linux 系统调用，直接陷入内核，没有用户缓冲区，嵌入式操作硬件设备经常使用。
2. 文件描述符 0、1、2 程序启动默认打开，对应输入输出错误；用完 fd 必须 close，防止泄露。
3. 标准 IO 带缓冲区，文件 IO 不带缓冲区；行缓冲、全缓冲、无缓冲三种刷新条件要分清。
4. printf / fprintf / dprintf / sprintf 四个格式化函数，目标对象不一样：终端、FILE 流、fd、内存数组。

小练习提示：可以写一个简单文件复制 demo，使用 open read write close 完成文件拷贝，巩固今天系统调用 API。